Designing Bio-Inspired Wet Adhesives through Tunable Molecular Interactions

胶粘剂 凝聚 仿生学 纳米技术 两亲性 生物污染 氢键 粘附 材料科学 化学 有机化学 聚合物 分子 复合材料 图层(电子) 生物化学 共聚物
作者
Jingsi Chen,Hongbo Zeng
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:645: 591-606 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.04.150
摘要

Marine organisms, such as mussels and sandcastle worms, can master rapid and robust adhesion in turbulent seawater, becoming leading archetypes for the design of underwater adhesives. The adhesive proteins secreted by the organisms are rich in catecholic amino acids along with ionic and amphiphilic moieties, which mediate the adaptive adhesion mainly through catechol chemistry and coacervation process. Catechol allows a broad range of molecular interactions both at the adhesive-substrate interface and within the adhesive matrix, while coacervation promotes the delivery and surface spreading of the adhesive proteins. These natural design principles have been translated to synthetic systems toward the development of biomimetic adhesives with water-resist adhesion and cohesion. This review provides an overview of the recent progress in bio-inspired wet adhesives, focusing on two aspects: (1) the elucidation of the versatile molecular interactions (e.g., electrostatic interactions, metal coordination, hydrogen bonding, and cation-π/anion-π interactions) used by natural adhesives, mainly through nanomechanical characterizations; and (2) the rational designs of wet adhesives based on these biomimetic strategies, which involve catechol-functionalized, coacervation-induced, and hydrogen bond-based approaches. The emerging applications (e.g., tissue glues, surgical implants, electrode binders) of the developed biomimetic adhesives in biomedical, energy, and environmental fields are also discussed, with future research directions proposed.
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