在合成粘合劑開發(fā)之前,天然蛋白質(zhì)通常被用作膠水。在我們開發(fā)出用原油制造粘合劑的化學合成方法之前,膠原蛋白(來自動物蹄)、酪蛋白(來自奶酪)和面筋(來自谷物)都被用作膠水。許多生物體產(chǎn)生專門用于粘附的蛋白質(zhì)。貽貝能產(chǎn)生一種很強的蛋白膠,使它們能夠在粗糙的潮間帶粘在滑滑的巖石上。蜘蛛也能產(chǎn)生堅韌的絲基膠水,用來捕捉蜘蛛網(wǎng)中快速移動的昆蟲。今天,蛋白質(zhì)基膠水幾乎完全被合成替代品取代,2010年全球市場規(guī)模達410億美元。
石油的這一工業(yè)過程大大增加了全球溫室氣體和揮發(fā)性有機化合物(VOC)的排放量。隨著世界從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生的未來,越來越多的人需要用更環(huán)保的替代品取代二氧化碳含量高的原油粘合劑。一個選擇可能是回到基于蛋白質(zhì)的膠水,可以使用合成生物學設(shè)計和優(yōu)化性能。與合成原油粘合劑不同,這些蛋白質(zhì)基膠水將是水基、無毒、可生物降解和環(huán)境非持久性的。
最近,英國曼徹斯特大學的S.Hay和J.J.Blaker報道了非共價交聯(lián)牛血清白蛋白和重組蜘蛛絲蛋白在玻璃和其他透明基質(zhì)上具有很高的粘附強度(分別為8.53和6.28MPa)。此外,粘合劑具有高的可見透明度,并且在幾個月內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的降解。其粘附機理主要歸因于脫水誘導(dǎo)的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)重組,導(dǎo)致β折疊的超分子結(jié)合形成密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。
圖1 a) 關(guān)于i)天然蜘蛛絲蛋白(spidroon),ii)spidroon膠束結(jié)構(gòu),iii)spidroon結(jié)構(gòu)后擠壓,以及iv)蜘蛛絲生產(chǎn)設(shè)備的示意圖。b) 重組蜘蛛絲膠(N-R7-C,30%w/v)在玻璃、PC和PMMA上的極限拉伸強度,pH值為5.5和8。c) 在pH值為5.5和8時,玻璃上重組蜘蛛絲粘合劑(N-R7-c,30%w/v)的可見光圖像(上圖)和透射曲線(下圖)。
重組蜘蛛絲蛋白是通過誘使無害的大腸桿菌在正常蛋白質(zhì)之外產(chǎn)生蜘蛛絲而制成的。細菌被喂入糖和營養(yǎng)素,通過發(fā)酵產(chǎn)生蜘蛛絲膠。這一過程類似于啤酒的發(fā)酵,但用蜘蛛絲膠代替酒精。對重組蜘蛛絲粘合劑進行剪切附著力測試,發(fā)現(xiàn)在pH為8時對玻璃的粘附力比比5.5的強得多(6.28 vs. 3.6 MPa)。而在粘結(jié)PC或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)時,兩者之間的差異可忽略不計。
牛血清蛋白(BSA)與被測基質(zhì)(特別是玻璃)也有非常強的粘附力,同時保持高的可見透明度。粘附力超過了重組蜘蛛絲(8.53 vs.6.28 MPa)。動物血在歷史上被用作膠水,作為主要成分,血清白蛋白可能在其粘附性能中起著關(guān)鍵作用。
他們進一步研究和優(yōu)化BSA粘合劑配方。首先,改變牛血清白蛋白的濃度,發(fā)現(xiàn)在30%w/w的濃度下,BSA濃度和極限剪應(yīng)力之間確實存在線性關(guān)系,但是40%w/w,極限剪應(yīng)力顯著下降(圖3a)。這可能是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的必要展開和重組成為一個穩(wěn)定的、富含β折疊的四級構(gòu)象,在高蛋白濃度下由于強烈的蛋白間相互作用而受到阻礙。
圖3 a) BSA濃度對玻璃基板粘附時極限剪應(yīng)力的影響。b) 在5%、15%、30%和40%w/w濃度下BSA溶液的剪切和c)頻率掃描流變學分析。G’,儲存模量;G”,損耗模量。
總之,蜘蛛絲膠特別擅長將玻璃粘在一起,其初始粘合強度為6.28MPa,純BSA溶解在濃度為30%w/w的去離子水中,不添加任何添加劑、鹽或pH值控制,粘附玻璃時的極限剪應(yīng)力可以達到8.53MPa。而商用UVbonding專用玻璃膠在玻璃上的USS為11.9 MPa。這項新的突破為一個每年價值數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)提供了一系列可持續(xù)的替代品。而且BSA粘合劑在室溫(通常為19±2℃)下放置9個月以上,且沒有濕度控制或光照防護,可見透明度或粘合強度沒有明顯降低。作者也提出了未來研究的方向:
1)通過增加重組蜘蛛絲的R數(shù)來研究分子量與粘附力之間的關(guān)系,,
2)與其他已知粘合劑(包括商用粘合劑)進行相似比較,
3) 進一步探索和優(yōu)化蛋白質(zhì)濃度對粘附性能的影響,
4)更密切地監(jiān)測粘附力隨二級結(jié)構(gòu)變化的變化,
5)使用超純BSA排除雜質(zhì)對粘附的影響,
6)研究其他因素的影響(如底物表面功能化,相對濕度、溫度、夾持壓力等)和使用其他表征技術(shù)(例如原子力顯微鏡)進一步闡明粘附的基本機制。
7)通過引入加速劑、條件或功能域來縮短固化時間。
該成果以題目為“Non-covalent protein-based adhesives for transparent substrates—bovine serum albumin vs. recombinant spider silk”發(fā)表在《Materials?Today?Bio》。
全文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006420300284?via%3Dihub#