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(xué)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(qiáng)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(dá)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(jī)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(xué)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(xué)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(xì)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)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(dá)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(hù)，可見透明度或粘合強(qiáng)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(jìn)行相似比較，
3） 進(jìn)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(jìn)一步闡明粘附的基本機(jī)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》。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590006420300284?via%3Dihub#
