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研究背景
海洋生物贻贝的足盘能在各种材料表面形成超强粘附，是因为6种主要粘性蛋白能够在1分钟内精确完成铺展-粘附-固化。但是，贻贝粘附蛋白的直接提取和基因重组技术由于繁琐的工艺、较高的成本以及很低的产率，很大程度上限制了其应用。研究表明，贻贝之所以能够实现不同环境和界面的超强粘附，除了足蛋白的DOPA中大量的邻苯二酚与金属及其氧化物表面形成强配位作用、与无机非金属表面形成氢键作用、与有机聚合物表面形成π-π堆叠作用、氧化后与生物体表面形成Michael加成和Schiff碱反应，酸/碱性氨基酸介导的离子-π和空间关联作用也较为重要。
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研究工作简介
通过原子力显微镜（AFM）测试量化分析仿生粘附改性木质素与皮肤之间的粘附力，结果表明：邻苯二酚结构与皮肤间粘附力贡献优于氨基酸结构；碱性氨基酸与邻苯二酚结构间协同粘附性能明显优于酸性氨基酸。在此基础上，得到最优改性路径：先Mannich反应接枝赖氨酸（Lys），后脱甲基改性，得到仿贻贝粘附改性木质素（AL-Lys-D），AL-Lys-D与皮肤的粘附作用力可达0.738±0.048 mN·m-1，为AL与皮肤作用力的5.31倍。分子动力学模拟研究表明 AL-Lys-D与皮肤组织的粘附作用主要来源于含氧官能团和胺基形成的氢键以及邻苯二酚苯环与皮肤表面胺基形成的阳离子-π作用。AL-Lys-D 胺基同时与皮肤组织形成静电作用，两者协同增强木质素对皮肤的粘附作用。但是，氨基酸引入后AL-Lys-D 亲水性提高，溶剂极化作用相比木质素增强，溶剂分子以及离子的吸引均不利于其与皮肤组织结合。密度泛函理论计算表明 AL-Lys-D常温常压下与皮肤组织形成席夫碱的反应需要吸收能量，由于反应自由能比较低，可以视为可逆反应。
基于AL-Lys-D优异的粘附性能，将其作为粘附增强材料添加到由丙烯酰胺和[2-（甲基丙烯酰基氧基）乙基]二甲基-（3-磺酸丙基）氢氧化铵共聚制备得到的P(AM-co-SBMA)有机水凝胶中，结合导电材料制备生物电极，其在皮肤表面的界面韧性值可达464 J/m2。并可以稳定灵敏地记录肌电（EMG）和心电（ECG）信号，性能优于商用电极。
相关研究得到了清华大学深圳国际研究生院张灿阳副教授、南方科技大学郭传飞教授的协助。
图1 木质素从植物粘结到仿生粘附的转化示意图
图2 仿贻贝粘附改性木质素的结构表征
图3 仿贻贝粘附改性木质素与皮肤之间的粘附作用力测试
图4 分子动力学模拟和密度泛函理论计算揭示改性木质素与皮肤之间的粘附机制
图5 仿生粘附改性木质素基粘性有机水凝胶生物电极用于生理电信号监测
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工作的亮点、新颖性和意义
（2）AFM量化测定和分子模拟相结合揭示改性路径对木质素粘附性能的影响规律以及氨基酸与邻苯二酚结构的协同强化机制，为木质素粘附应用奠定基础；
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论文信息
文章题目：Mussel-Bioinspired Lignin Adhesive for Wearable Bioelectrodes
期刊名：Advanced Materials
年份：2024年
DOI号：10.1002/adma.202407129
全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202407129
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研究团队简介
通讯作者：钱勇，教授，博士生导师，广州市珠江新星，广东省杰出青年基金，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。中国化工学会精细化工青年委员会副秘书长，中国化工学会日化专业委员会委员，Chinese Chemical Letters、精细化工等青年编委。2014年博士毕业于华南理工大学，2013-2016年在加拿大麦克玛斯特大学联合培养和博士后研究，2017年破格晋升教授，2020年入选全球华人化工学者评选的“未来化工学者”。近年来，围绕木质素的高值转化利用，发展了木质素分子间作用力量化分析方法，成功制备了系列木质素规则微纳米材料，并率先在国际上开发出木质素天然高分子防晒剂，部分成果实现转化。相关研究在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Engineering、Green Chem等领域重要期刊发表第一/通讯作者论文100余篇，获得授权中国发明专利20余项，美国专利3项，获2020年度广东省技术发明一等奖，2021年度中国工程院闵恩泽能源化工奖—青年科技奖。
