『臺博新知』：新型混合式黏膠仿生沙堡蠕蟲黏膠

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊／國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝／國立臺灣博物館

美國科學家研究沙堡蠕蟲（Phragmatopoma californica）黏膠，開發出新型仿生混合式黏膠，在水中和空氣中都能維持黏性，透過注射過程就可使用，具有不怕水、超強黏附力、和生物相容性，以水取代有機溶劑的方式使黏附過程更環保。未來可開發成水下建築、建物、橋樑、和隧道等的膠黏劑、填縫劑、油漆、塗料，耐受雨水或海水侵害，保持堅固耐久；或研發成防污塗料，塗布在船底、橋墩、或碼頭，避免貝類等海洋生物黏附淤積；也能應用於牙科各類醫材、連接人體義肢和固定植入物、協助黏合治療心臟血管疾病、外科手術傷口和精密胎兒手術微創等醫療領域。研究成果由加州大學聖塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）威特（J. Herbert Waite）教授領導的跨系研究團隊於2016年4月發表在《自然材料科學》（Nature Materials）期刊。

仿生沙堡蠕蟲黏膠的新型仿生混合式黏膠，在水中可堅固耐久（繪製者：王美乃）。

小型海洋生物沙堡蠕蟲又名蜂巢蟲或蜂巢管蠕蟲，屬於環節動物門（Annelida）多毛綱（Polychaeta）管觸鬚目（Canalipalpata）纓鰓蟲科（Sabellarididae），本種頭部具有許多纖毛狀觸手抓取水中細小貝殼或沙粒等材料，搬移到口器前的一對稱為鉗狀唇瓣（pincer-shaped palps）的建築器官，這對唇瓣會分泌液態蛋白質黏膠塗抹在建材上，從尾部圍繞身體，往上建造約2.5公分長、具有圓形開口，稱為「棲管」的管狀巢藏身。當被海水浸沒時，沙堡蠕蟲會從棲管伸出觸手收集食物顆粒進食，建材顆粒則用於修補或加高棲管，退潮時就以剛毛製成的盾狀口蓋封閉管口保護。常群聚生活，形成超過兩公尺、近似多孔礁石的大型蜂巢狀聚落。

沙堡蠕蟲（Phragmatopoma californica）築巢的黏膠具超強黏附力（圖片來源：歐陽盛芝）。

研究團隊分析沙堡蠕蟲的液態黏膠黏附機制，發現黏膠液體是由微酸性（pH=5）富含聚陰離子肽的O-磷酸絲氨酸（O-phosphoserine）、具高賴氨酸（Lysine）和精氨酸（Arginine）的聚陽離子肽等相反電荷的多肽（polypeptides）組成，沉積到顆粒表面時，將凝聚流體相轉化為固體。首先形成與周遭微鹼性（pH=8.2）海水混合後不會溶解的蛋白質金屬離子絡合物，和氧化的左旋多巴（3,4-二羥苯丙氨酸，3,4-dihydroxy-L-phenylalanine，簡稱L-DOPA或L-多巴）形成交聯的緩慢共價固化，在建材表面硬化為聚電解質絡合物（polyelectrolyte complexes）的海綿狀多孔固體黏膠，構成永久黏附。左旋多巴是一種帶有鄰苯二酚（catechol）側基的胺基酸殘基，可透過氧化交聯形成共價鍵提升黏合性，也能與金屬離子（主要是正三價鐵離子）和不同基材表面配位增加黏附強度，對強力黏附性具關鍵作用。

他們將仿生重點放在沙堡蠕蟲形成複合凝聚層（complex coacervates）水性聚電解質絡合物的濕黏附機制，這種結構化流體具高密度、高擴散性、和低界面張力特性，可透過溶劑交換（solvent exchange）活化。由於大部分有機溶劑具較低的介電常數（ε，數字低表示絕緣能力強），可在弱聚電解質中抑制離子化，將介質從低ε的有機變為高ε的水基溶劑，來調節中性及帶電弱聚電解質間絡合反應，導致溶劑交換。結合此特性能有效控制黏附作用的起始反應點，當遇到水後不僅快速反應，還能增加濕黏附的穩定性。

研究團隊依研究結果仿生聚電解質絡合物濕黏附機制，用AB膠概念分別製造溶於二甲基亞碸（dimethyl sulphoxide，(CH3)2SO，簡稱DMSO）的兩種聚合物，第一種是用鄰苯二酚官能化的聚丙烯酸（poly(acrylic acid)，簡稱PAAcat），第二種是與雙三氟甲磺酰亞胺（bis(trifluoromethane-sulphonyl)imide，簡稱Tf2N-）離子配對的季銨化殼聚醣（quaternized chitosan，簡稱QCS-Tf2N），組成新型仿生混合式黏膠。

將PAAcat和QCS-Tf2N溶於DMSO形成高分子混合物溶液時，因DMSO的介電常數較低，PAAcat的丙烯酸基（COOH）未離子化，沒有絡合反應；把高分子混合物溶液注入水中，因水和DMSO進行溶劑交換，引起PAAcat去質子化，將丙烯酸基從中性轉化為帶負電荷（COO－），造成陰性PAAcat和陽性QCS-Tf2N間的靜電吸引，形成聚電解質絡合物；同時高分子混合物溶液的體積從5微升（μL=10-6L）變成0.18 ± 0.1微升，縮小90%以上。PAAcat中的鄰苯二酚密度愈高，仿生黏膠固化結構愈疏鬆多孔，愈不易斷裂。

新型仿生混合式黏膠在水中固化低於25秒，在玻璃表面即產生黏附力，固化時間愈久其黏附力愈強，係以黏膠放入羅丹明6G（Rhodamine 6G）染料追蹤，在水中以注射器將黏膠擠出圖案至聚合物、金屬、玻璃、貽貝殼、石頭、葉子、和木材等20多種基材表面，持續25秒至1小時等不同時間在水中固化，離水到空氣中噴射2-30巴（bar=1.0197 Kg/cm2，2巴等於每平方公分承受2.04公斤重量）的水至仿生黏膠塗層15秒測試黏附力所產生的結果。若在沸水中可耐受1小時，再放入DMSO或甲醇、乙醇（酒精）、異丙醇、丙酮、四氫呋喃（THF）、乙醚、和二甲基甲酰胺（DMF）等其他溶劑中，對各種表面基材仍具有快速穩定的黏附力。再以一根棉線點黏在載玻片上，1小時後離水取出，棉線在空氣中可支撐20公克載玻片重量。若以兩片載玻片在水中注射仿生黏膠，無須施壓就可彼此黏合。

由於這種黏膠固化後無法以水噴射破壞，卻可用丁腈橡膠（nitrile rubber）手套的特定摩擦力擦掉，因此調節仿生黏膠的鄰苯二酚密度、聚電解質絡合物、溶劑交換、和物理結構等，就可在潮濕環境下呈現超強黏附或去除黏性。新型仿生混合式黏膠不僅可在各種環境條件和各種表面快速黏合，應用面寬廣，而且更環保，對環境或資源都有極大幫助。

（以上新聞編譯自2016年4月發行之Nature Materials期刊）

（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

日期：2017/7/27

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：新型混合式黏膠仿生沙堡蠕蟲黏膠

資料來源：

Zhao, Q., D. W. Lee, B. K. Ahn, S. Seo, Y. Kaufman, J. N. Israelachvili, and J. H. Waite. 2016. Underwater contact adhesion and microarchitecture in polyelectrolyte complexes actuated by solvent exchange. Nature Materials, 15(4): 407–412 (+ 20 pp. Supplementary Information).

延伸學習：

Fernandez, S. 2016. Cling-on warriors: sandcastle worms serve as inspiration for a new type of underwater adhesive being developed at UCSB. UCSB Current News, February 1, 2016.

Lee, D. 2016. Sandcastle worm inspires scientists to create a novel underwater adhesive. WIR (World Industrial Reporter), February 2, 2016.

Sandcastle worm. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Sandcastle_worm (Visit date: 2017/06/20).