盐分对基于蛋白质的水下粘合剂聚集性能和强度的影响

《ACS Omega》：Effect of Salts on the Aggregation and Strength of Protein-Based Underwater Adhesives

水下粘合剂性能受海水盐类（NaCl、KCl、MgCl?、CaCl?）显著影响，中等盐浓度（0.1 M）延缓凝胶化时间，增强材料刚度和粘接强度，而高盐浓度（1 M）则削弱性能。添加二氧化硅可提升BSA粘合剂强度但对αLa粘合剂效果相反。研究揭示了盐类调控蛋白质凝胶化动力学及材料机械性能的规律，为优化水下蛋白质粘合剂提供依据。

　　在水下粘合材料的研究中，蛋白质基粘合剂因其独特的物理化学特性而受到广泛关注。尽管传统的水下粘合剂往往依赖于疏水性材料来排斥水分，从而实现有效的粘附，但近年来研究发现，水凝胶类粘合剂在水下同样可以表现出与疏水粘合剂相当的粘合强度。这种特性使得蛋白质基粘合剂在生物医学和结构工程等应用领域展现出巨大的潜力。然而，水基粘合系统中的离子环境对粘合过程具有显著影响，因此理解离子浓度如何调控蛋白质粘合剂的性能对于开发稳定、高效的水下粘合材料至关重要。

本研究聚焦于四种主要的海水氯化物盐（NaCl、KCl、MgCl?和CaCl?）对两种来源于农业副产品蛋白的水下粘合剂（牛血清白蛋白BSA和α-乳白蛋白αLa）的影响。这些粘合剂通过化学变性在水下形成凝胶网络，其粘合过程涉及蛋白质的解折叠、聚集以及最终形成稳定的水凝胶结构。通过结合不同的离子浓度，研究者能够调控粘合剂的凝胶化时间、机械性能和粘合强度，从而为水下粘合材料的优化提供新的思路。

在粘合剂的制备过程中，研究者采用了特定的配方，包括蛋白质溶液和含有变性剂、还原剂和聚合剂的引发剂。这种两组分体系在混合后，通过化学变性促使蛋白质进入部分解折叠状态，进而形成稳定的凝胶网络。实验中使用的盐不仅影响了蛋白质的结构稳定性，还通过调控凝胶化过程中的物理特性，如粘度和交联行为，间接影响了粘合性能。例如，低浓度的盐（如0.1 M）能够延缓凝胶化过程，从而形成更硬、更强的凝胶，而高浓度的盐（如1 M）则加快了凝胶化，但可能导致粘合性能下降。

实验结果表明，盐的种类和浓度对粘合剂的性能具有显著影响。对于BSA粘合剂，CaCl?在低浓度下表现出最强的稳定作用，提高了其热稳定性，而高浓度的CaCl?则导致粘合剂变得柔软，甚至出现粘合失败。相比之下，αLa粘合剂对盐的响应更为复杂，其热稳定性随着盐浓度的增加而增强，特别是在CaCl?的作用下。然而，高浓度的盐对αLa的粘合性能产生负面影响，尤其是在与铝等金属氧化物表面的粘合方面。这种差异可能与两种蛋白质的结构特性有关，例如BSA的疏水性和αLa的钙结合能力。

粘合剂的机械性能同样受到盐浓度的影响。通过剪切模量测试和拉伸实验，研究者发现低浓度盐（0.1 M）能够提高BSA和αLa凝胶的硬度和粘合强度，而高浓度盐（1 M）则削弱了这些性能。此外，硅胶填料的加入在一定程度上增强了粘合剂的硬度和粘合强度，但同时也降低了其延展性，表明材料的内部结构和外部粘附行为之间存在某种权衡关系。这一发现提示我们，粘合剂的优化可能需要在材料的内部结构和外部性能之间找到平衡点。

通过拉伸测试和剪切测试，研究者进一步探讨了盐对粘合剂长期性能的影响。结果显示，随着粘合剂在人工海水（ASW）中浸泡时间的延长，其粘合强度在一段时间内保持稳定，但最终会因微生物生长等因素而下降。这表明，虽然盐可以提高粘合剂的短期性能，但其在长期使用中的影响仍需进一步研究。

此外，拉曼光谱分析揭示了盐对蛋白质聚集结构的影响。研究发现，盐浓度的变化显著改变了蛋白质中二硫键的分布，进而影响了凝胶的机械性能。尽管二硫键的数量与凝胶硬度之间没有直接的正相关性，但盐的存在似乎通过调控蛋白质的折叠状态和交联行为，间接影响了凝胶的物理特性。

总体而言，本研究通过系统分析海水盐对蛋白质基水下粘合剂的影响，揭示了离子环境在调控粘合剂性能中的关键作用。研究结果表明，适当的盐浓度可以增强粘合剂的机械性能和粘合强度，但过高浓度的盐会导致粘合剂的性能下降。这一发现不仅有助于理解蛋白质在水下粘合过程中的行为，也为开发具有可控性能的水下粘合材料提供了理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探索其他环境因素（如硫酸根离子或不同离子之间的协同效应）对粘合剂性能的影响，从而推动这一领域的发展。