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“苍蝇腿毛”启发的粘合剂:低成本,可重复使用!-岩拓气凝胶

“苍蝇腿毛”启发的粘合剂:低成本,可重复使用!

人在光滑的地面上通常行走困难,但在自然界中,有很多昆虫可以在光滑表面上行走自如。它们的腿上有特殊的结构,称为脚垫。先前的研究表明,昆虫脚垫由柔软的毛发(刚毛)组成,其尖端具有特定的微结构,呈微片状、盘状或尖头状。脚垫会产生范德华力、库仑力和吸引的毛细作用力,有助于昆虫粘附到基材表面。

研究发现,昆虫脚垫分泌物中含有非挥发性脂类物质,其末梢与基质之间的连接处充满了可分泌的液体,从而产生了毛细作用力,使昆虫能够附着在基质上。

尽管当前的研究对昆虫脚垫的形态和功能了解得较多,但对于昆虫的脚垫是如何形成的这一问题至今仍难以捉摸。

“苍蝇腿毛”启发的粘合剂:低成本,可重复使用!

日本北海道教育大学Ken-ichi Kimura和日本国立材料研究所Naoe Hosoda等人证明了果蝇的脚垫是由毛细胞的伸长和肌动蛋白丝的组装形成的。当毛细胞形成具有肌动蛋白丝束的有效框架时,便会创建功能性的脚垫,从而使毛尖成形并促进表皮沉积。作者利用这种微结构的形成机理,设计了一种新型的人工粘合剂:一种刮铲状的纤维框架粘合剂。该粘合剂由尼龙纤维支撑,其尖端带有凝胶材料。这种简单的自组装机制有利于低成本粘合设备的节能生产。该研究以题为“Framework with cytoskeletal actin filaments forming insect footpad hairs inspires biomimetic adhesive device design”的论文发表在《自然·通讯》子刊《Communications Biology》上。

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【果蝇脚垫的形成】

果蝇腿的远端被分为五个部分,前面是构成腿尖的结构,在背侧和腹侧分别有一对爪子和一对脚垫(图1a)。此外,每个脚垫的茎中大约六排或七排有约30根毛(刚毛)。每根毛发的尖端宽度约为1-2μm,并呈楔形(图1b)。使用透射电子显微镜(TEM)获得的横截面图像显示,每根头发都是由角质层组成的扁平管(图1c)。苍蝇会在脚垫和底物之间分泌一种粘性流体,并利用有吸引力的毛细作用力将其附着在表面上。为了检查果蝇发育过程中这些脚垫的形成过程,作者使用标记物标记脚垫细胞来监测脚垫的形成。发现在脚垫的框架完成后,便开始表皮的沉积过程。作者还使用可抑制细胞标记法进行镶嵌分析,结果表明,单个标记的细胞形成了单根头发的尖端,表明单个细胞在脚垫上只形成一根毛发。

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图1 果蝇蜕变过程中脚垫的形成

 

【肌动蛋白在足垫形成中的作用】

作者通过荧光蛋白与纤维肌动蛋白分子的结合,对毛细胞中的肌动蛋白丝进行染色。研究发现肌动蛋白丝堆积在脚垫细胞的顶端(图2a),随着蜕变过程的进行,肌动蛋白丝聚集并形成细胞内呈T状的骨架。

因此,作者确定了细胞骨架肌动蛋白丝能够在脚垫的单个毛细胞的形成中发挥作用(图2c)。研究还发现,变形的脚垫会减少每根毛发的尖端与基材之间的有效接触面积,从而导致粘附到光滑基材上的能力降低。总而言之,细胞骨架肌动蛋白丝是果蝇用于形成和决定脚掌形状和结构框架中的必要成分。

昆虫的脚垫发梢显示出各种形状,例如有丝状、针形、片状和盘状。结果表明,昆虫通过这种基于肌动蛋白的形态发生机制为脚垫毛的微观结构提供独特的形状。

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图2肌动蛋白在足垫形成中的作用

 

【仿生粘合剂设计】

建立脚垫微结构的过程分为两个步骤(图3a)。首先,由发梢的肌动蛋白纤维形成一个呈扇形的框架。其次,表皮物质被分泌、积累,然后固化。因此,作者提出了一种使用类似的两步法制造粘合剂结构的策略(图3b)。第1步:用尼龙纤维设计结构框架。第2步:将框架浸入树脂中,并通过表面张力使之形成小巧的结构。最终的胶粘剂结构包含一个由尼龙纤维支撑的片状结构,胶状海藻酸钙材料作为尖端,是与基材的接触点(图3c)。浸入水中后,该粘合剂的粘合强度为40±15 mN。当该粘合剂几乎完全干燥后,其表现出更高的平均粘合强度(779±108 mN),相当于能够悬吊60公斤体重的人。图3e和f展示了一根粘着的头发能够悬挂52.8 g的硅片。

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图3受脚垫形成机理启发的仿生粘合剂的设计

 

总结:通过研究昆虫足垫微结构形成的机理,作者仿生设计了一种有效的粘合剂。作者使用高水分含量的材料来作为位于设备尖端的高度灵活的薄结构,从而增加了实际的接触面积并提高了在粗糙表面上的粘合能力。此外,通过使用尼龙纤维来实现合并具有高抗拉强度的毛状纤维,使其能够承受反复的附着和分离。未固化的液态原材料(例如海藻酸钠)将有助于简化制造过程并降低与设备相关的生产成本。

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s42003-020-0995-0

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