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。

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。

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

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