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专访中科院理化所王树涛研究员：新一代湿态粘附材料在发展中面临的机遇与挑战

花匠小妙招
2025-07-28 22:42

物质科学

Physical science

2023年3月16日，中国科学院理化技术研究所的王树涛研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem上发表了一篇题为“Bioinspired chemical design to control interfacial wet adhesion”的展望。该展望报道了从自然界湿态粘附现象到人造粘附分子的仿生设计原则。随着表征技术的不断革新，人们对自然界湿态粘附机制的理解也逐渐加深，对湿态粘附材料的化学设计也逐渐由兴趣牵引转为以应用为导向的发展之路。作者从自然粘附机制探索、仿生化学分子设计到动态粘附调控等方面探讨了新一代湿态粘附材料在发展中面临的巨大挑战和潜在机遇。论文通讯作者是王树涛研究员；第一作者是王曌特别研究助理。

湿态粘附在自然界和日常生活中普遍存在。海洋生物在长期进化过程中为了抵抗浪潮的冲击，需要牢固附着到岩石表面，进行捕食和繁衍后代。向自然学习是科技发展创新的不竭源泉，研究者们发现海洋生物一般是通过合成、分泌和固化粘附蛋白，从而使得粘附界面具有优异的机械强度和耐久性。随着研究的不断深入，一些起到关键粘附作用的化学基团已经从粘附蛋白中提取出来，例如最受关注的二羟基苯丙氨酸 (DOPA)，启发了研究者们将DOPA整合到各种分子骨架中，极大丰富了人工湿态粘附聚合物的种类，成功用于伤口敷料、生物电子和功能涂层等领域，克服了传统粘附剂在潮湿或水下应用的局限性。在这一过程中，人们逐渐形成了一致的湿态界面粘附的仿生化学设计原则：发现自然界湿态粘附机制，发明仿生化学设计粘附分子，创造满足实际要求的多功能湿态粘附材料。

图1：湿态粘附剂的仿生化学设计原则。

子曰：“工欲善其事，必先利其器”——《论语》。要想深入了解自然界湿态粘附机制，需要从分子尺度到微纳米尺度再到宏观尺度，以及从静态粘附到动态粘附过程来观察自然界湿态粘附蛋白复杂的粘附机制。整个研究的认知过程都离不开表征技术的发展水平。图2从成分分析、结构表征、过程观察到粘附力测量四个方面介绍了人们对自然界湿态粘附的认知发展历程。

图2：贻贝粘附的蛋白组分、足丝结构、动态过程以及粘附力的先进表征技术。

在了解贻贝粘附机制的基础上，人们提取出关键化学粘附单元，极大地推动了仿生湿态粘附材料的发展。DOPA作为粘附蛋白的关键单元，可以在基底表面形成强的共价和非共价相互作用，实现牢固的界面粘附。受DOPA的启发，研究者们合成了许多基于邻苯二酚衍生物的仿生湿态粘附剂。为了实现动态粘附，人们利用典型的氢键、π-堆叠、静电相互作用、金属-配体络合作用、金属-金属相互作用和主客体相互作用，制备了刺激响应型超分子胶粘剂，可以有效地控制界面粘附强度。为了实现超越自然的湿态粘附强度，研究人员致力于通过形成强共价键来增强界面粘附强度。这些不同的分子设计极大地丰富了合成粘附剂的化学种类，开发出满足实际应用的强粘附材料将是人们不断努力的研究方向。

图3：不同分子设计粘附剂的化学结构。

在过去的几十年里，仿生湿态粘附研究经历了从发现自然界粘附现象，到发明仿生粘附分子，再到创造不依赖DOPA的多功能胶粘剂三个主要发展阶段。从海洋生物特有的粘附蛋白组成、结构和动态粘附等方面，研究者们逐渐揭示了海洋生物迷人的湿态粘附机制。对这些粘附机制的深入理解启发了各种湿态粘附剂的分子设计与合成。目前，仍有几个巨大的挑战需要解决。一是海洋生物潜在的粘附机制尚不清楚。其次，大多数人工合成粘附剂仍无法与自然界湿态粘附剂相媲美。三是调控湿态粘附动态过程的研究较少。从界面相互作用和化学热力学的角度出发，粘附分子的化学设计一直是化学家的研究核心。然而，粘附剂与附着基底之间的动态粘附过程往往被人们所忽视。开发新的表征技术，揭示自然界粘附机制，设计高性能粘附材料以解决极端或复杂环境下的实际应用挑战，将是未来湿态粘附研究的科学与技术前沿。

图4：湿态粘附存在的挑战和机遇。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请王树涛研究员进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

首先，对于即将于今年12月在苏州举办的《Cell Symposia 细胞研讨会：先进技术中的仿生材料与生物集成材料》，作为会议组织者，您认为本次会议将有哪些亮点值得期待？现场参会可以有哪些收获？

王树涛研究员：

《Cell Symposia 细胞研讨会：先进技术中的仿生材料与生物集成材料》是全球第一场以仿生材料为主题的Cell Symposia。这次会议将邀请在仿生超浸润界面材料、仿生可控粘附材料、仿生结构材料、仿生柔性材料与器件、生物集成材料等方面的国际大咖和青年才俊与大家进行现场交流全球的最新进展。来到现场不仅可以与大咖们交流学术前沿进展，还可以倾谈科学研究的心得与体会，另外Cell Press的知名学术期刊的编辑们也会为您带来发表高水平论文的向导和经验。

CellPress：

本篇Chem文章中，作者从海洋生物的粘附行为获得启发，通过化学手段设计并获得的高效湿粘合剂会在哪些领域有重要的应用，会带来哪些积极的社会影响？

王树涛研究员：

近年来，湿态粘合剂在生物医学领域备受关注，尤其是针对受伤皮肤再生、手术修复、止血密封、耐低温及柔性生物传感器件等应用的设计与探索方面得到了快速发展。此外，发展在湿态环境中具有优异粘附性能的粘合剂对于很多水下工程显得尤为重要，可以解决传统粘合剂遇水粘附失效的问题。

CellPress：

科学家对生物湿粘合剂的研究已经进展到何种地步？

王树涛研究员：

在过去的几十年里，科学家对海洋生物水下粘附现象的认知逐步深入。以贻贝为例，从最初的湿态粘附现象的观察，到分析粘附蛋白分子，到最近发现贻贝可以按照时间顺序分泌不同粘附蛋白分子，并可以通过海水条件调节各种化学反应，改善粘附界面的机械强度和耐久性。界面科学家与工程师们相应地发展了多种湿态仿生粘合剂、仿生微纳粘附界面以及运用多种粘附机理协同作用的仿生粘附装置。但是，仍然存在海洋物种水下粘附机制认识不清、仿生粘附界面粘附强度低、粘附智能可控性差等问题。需要发展可跨尺度实时观测的先进仪器设备，进一步揭示海洋生物水下粘附机制，为研发新型水下粘附材料和装置提供创新源泉。

CellPress：

绿色开发高效新型粘合剂分子用于实际应用是人们追求的目标。请问王老师，一款优良的粘合剂通常具备哪些特征？并请您试举其中某一特性，说明结构与性能之间的关系，用以指导新型粘合剂材料的合成。

王树涛研究员：

理想的粘合剂应该具有按需粘附、绿色环保、耐候性强、智能时空可控等特征。目前普遍使用的粘合剂多为石化类胶粘剂，虽然其粘附性能够用，但化学合成或使用过程中往往带来环境污染。例如，释放甲醛的醛类胶。仿生湿态粘合剂为设计新型绿色环保粘合剂提供了新思路。例如，仿贻贝粘附剂——利用高活性的邻苯二酚官能团作为关键粘附基团，形成多种形态的仿生粘附材料，可在常温、湿态条件下在多种固体表面实现高效粘附。

CellPress：

我们知道王老师长期深耕仿生多尺度粘附可控界面材料，如抗粘附界面材料、高效生物识别粘附界面和器件以及疾病早期诊断等研究领域，并获得令人瞩目的成绩。请王老师简析在湿粘附剂研究领域中未来的研究趋势和重点。

王树涛研究员：

生物界面是非常复杂而有趣的一个研究对象，很多科学家着迷于此。未来的仿生研究越来越重视多学科的交叉和融合，尤其是仿生湿态粘附领域，需要横跨多个领域多个学科的合作，化学、材料、力学、工程以及人工智能等研究。未来的发展还是要进一步探索典型生物界面“粘附-脱附”的动态过程和调控机理，建立新的生物界面粘附模型；探索仿生粘附分子的化学合成新方法、粘附材料界面工程新思路及仿生智能粘附器件的构筑；探索其在生命健康监测/检测贴片、智能人工导管/血管、极端耐候粘附界面材料、低功耗智能水下机器人等领域的应用。