【Gene 愛聊科學】食蟲植物讓獵物滑進瓶口的密技,成為對抗貽貝附著的無毒塗料:SLIPS

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出處:Ria Tan

美國海軍每年得花費大約 10 億美元來防治附著生物

貽貝,屬於軟體動物門雙殼綱翼形亞綱的貽貝目,一般稱之為淡菜類,生活在海洋環境中的潮間帶及深海中,特別是在多石的岩床上聚集,遍布世界各地,但在水溫較冷的環境較為豐富,有不少貽貝都是常見的食材。

貽貝是機會主義者,許多物種是搭便船趴趴走到新環境的,一有機會就附著在固體表面,對海洋和水產養殖業造成嚴重的經濟和生態影響,會惡名昭彰地在水下結構(如管道、船隻、工業設備和碼頭)上大量積累。

沉積在表面上的生物會增加阻力,降低了船舶的機動性,進而增加了燃油消耗。生物污染也對港口和漁業基礎設施造成不利影響,如嚴重堵塞循環管道。但是,要去除牠們卻所費不貲,美國海軍每年得花費大約 10 億美元來防治牠們。

有效卻有毒?無毒卻無效?

用來防治貽貝等附著性生物的絕大多數武器是含有有毒化學物質(通常含銅)的油漆和塗料,以驅趕或殺死牠們。這些有毒材料引起人們的關注,因為它們會不分青紅皂白地毒害生物,並且在水中積累,可能破生態環境,還需要定期更換,而且往往不如所預期的那樣有效。

一個替代方式是使用含有機矽或矽氧烷聚合物(類似於用於導管或醫療工業中的化合物)的無毒「低表面能」塗層作為無毒的替代物。低表面能材料兼具疏水性與疏油性質,東西不易黏附上去。但是儘管這些低表面能材料確實讓人更容易地除去生物結垢物質,但它們在防止生物體首先附著時的效果較差,易受損傷和腐敗。

在 2013 年義大利的一場研討會上,哈佛大學 Joanna Aizenberg 實驗室的博士後研究員 Nicolas Vogel(現任教於德國埃爾蘭根 -- 紐倫堡的弗里德里希 -- 亞歷山大大學),報告了該他們用一種「光滑注液多孔表面」(Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces,SLIPS)塗層,防止幾乎任何東西黏附到塗了塗層的結構物上。

在研討會的觀眾中,專門從事生物材料研究的新加坡南洋理工大學材料科學與工程學家 Ali Miserez,仍認為貽貝會黏附在該塗料上,於是給了 Vogel 一個挑戰。Vogel 接受了挑戰,並在返回劍橋後向 Miserez 發送了一些 SLIPS 樣本,合作研究貽貝能否附著在塗上 SLIPS 塗層的表面 [1]。

靈感來自於食蟲植物的滑不溜丟的瓶口

他們的 SLIPS 技術靈感來自於食蟲植物的滑不溜丟的瓶口,會讓昆蟲滑倒跌入籠內,充分利用了生物附著其上的難度。 SLIPS 由注入液體潤滑劑覆蓋層的固體表面組成,液體潤滑劑覆蓋層保持在適當的位置,使得任何與液體層接觸的物質將直接滑動。SLIPS 以前已被證明對抗細菌和藻類是有效的,但貽貝卻是特別恐怖的敵人。

貽貝通過黏合彈性蛋白質絲(足絲)無選擇地附著到親水和疏水的固體表面,牠們的足絲尖端(稱為黏合斑)含有特殊的黏合蛋白,這些蛋白質使得貽貝能夠黏附到幾乎任何表面,包括金屬、礦物、塑料、水泥甚至低表面能含氟聚合物。水是黏附的最大敵人,但貽貝掌握了在水下環境中沾黏的高超技能,黏合蛋白能從目標表面去除水分子,以使斑塊與其結合,貽貝的大量積累可以重達每平方英尺 1,700 磅。

為了研究 SLIPS 是否能夠對付這些生物污染物,Miserez 等人把俗稱孔雀蛤的綠殼菜蛤(Perna viridis)放置在塗有不同類型無毒生物防污表面的「棋盤」板上,讓孔雀蛤選擇要黏附在哪個位置 [2]。他們評估了以矽油為潤滑劑注入的兩種不同類型光滑表面:一層非常薄的二氧化矽和奈米結構的 2D 塗層(i-LBL),以及由普通聚合物聚二甲基矽氧烷(i-PDMS)的較厚矩陣狀 3D 塗層。

他們把這些塗層的非潤滑劑注入版本、氧化鎢為基礎的 2D 塗層、未塗覆的玻璃和兩種市面上販售的無毒生物污垢防垢塗層(Intersleek 700 和 Intersleek 900)用於比較。 24 小時後,Intersleek 700 板上約有 75 個孔雀蛤黏合斑,而 i-PDMS 在十五個板的其中一個上中只有 5 個貽貝斑塊,顯示孔雀蛤實際上並無法很好地黏在 i-PDMS 上。

為什麼孔雀蛤不容易附著到 i-PDMS 上?

他們繼續進行研究,以確定為什麼孔雀蛤不容易附著到 i-PDMS 上:是黏不上?還是孔雀蛤是否拒絕附著其上?為了回答第一個問題,該團隊測量了將貽貝足絲從各個表面上拉出所需的力,並發現連接在 Intersleek 塗層上的足絲需要從 i-PDMS 中除去所需的力量的兩到六倍,移除連接到非注液塗層的足絲需要十倍的力量。

潤滑劑注入的表面的液體覆蓋層抵抗了貽貝黏合蛋白,保持了表面潤滑,因此防止了足絲附著。所有控制組上都發現黏合蛋白,但實驗組則無。

為了看貽貝是否附著較少的足絲,研究者把牠們放在每個表面上即時觀察。未注入潤滑劑的 LBL 和 PDMS 表面上的貽貝表現正常,試探幾秒後就在約半分鐘內分泌黏合蛋白。

然而,2D 光滑表面上的那些,顯著地花了更長的時間(30-80 秒)試探,並且沒有分泌黏合蛋白,而 i-PDMS 上的那些顯示出幾種異常行為:牠們選擇把足絲附著到自己的殼上或相鄰的非 SLIPS 塗層表面,或者分泌出一種黏稠的凝膠但不凝固成絲線,要不然就試探表面幾秒鐘,然後迅速把足絲縮回到殼中。

他們認為 SLIPS 的潤滑劑層,是物理地干擾貽貝探測其下方固體表面的能力。

因為他們發現牠們的足絲含有已知的感知壓力的蛋白質,當附著到堅硬固體時會感受到壓力。足絲在與兩種 SLIPS 塗層接觸時檢測到「拉」力。SLIPS 不僅是破壞足絲黏合機制外,貽貝原本預期感覺到一個堅硬的表面會對足絲產生壓力,而這種來自潤滑劑的意想不到的拉力,似乎使牠們抗拒附著上去。

他們與美國麻州斯特勒威根海岸國家海洋保護區合作,將所有實驗室測試材料的板塊放入港口十六週,看看生物是否會在其上生長。當地有一群惡名昭彰的紫殼菜蛤(Mytilus edulis),可以進行實驗室獲得的結果與野外實際情況的觀察結果進行比較。

結果發現,i-PDMS 不僅顯示比 Intersleek 少四分之一的貽貝附著,而且比非注入潤滑劑的 PDMS 少了三十倍,同時也超越其他材料來抵抗其他生物污染物質,例如海鞘、水螅和黏菌。

i-PDMS 可以進行化學改性,配製成持久耐用的高性能塗料。他們目前正在世界各地的五個高生物污染海洋地區進行測試。迄今為止,已經阻止了貽貝和其他生物的衝擊,持續防止生物污染兩年以上。

啟示

「潤滑劑注入的塗料」有望解決與海洋生物污染有關的重要經濟和生態負擔,特別是那些由貽貝物種入侵引發的生物污染。這個仿生學研究先是學習了食蟲植物的獨門絕技,再應用來對付另一種難纏的生物,可謂一物克一物的最佳典範!

參考文獻:

1) Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard. "Non-toxic, lubricant-infused coatings deter mussels and prevent their attachment by disrupting their mechanosensory and adhesive systems." ScienceDaily. ScienceDaily, 17 August 2017. 

2) Shahrouz Amini, Stefan Kolle, Luigi Petrone, Onyemaechi Ahanotu, Steffi Sunny, Clarinda N. Sutanto, Shawn Hoon, Lucas Cohen, James C. Weaver, Joanna Aizenberg, Nicolas Vogel, Ali Miserez. Preventing mussel adhesion using lubricant-infused materials. Science, 2017; 357 (6352): 668 DOI: 10.1126/science.aai8977

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