【Gene爱聊科学】食虫植物让猎物滑进瓶口的密技,成为对抗贻
美国海军每年得花费大约 10 亿美元来防治附着生物

贻贝,属于软体动物门双壳纲翼形亚纲的贻贝目,一般称之为淡菜类,生活在海洋环境中的潮间带及深海中,特别是在多石的岩床上聚集,遍布世界各地,但在水温较冷的环境较为丰富,有不少贻贝都是常见的食材。

贻贝是机会主义者,许多物种是搭便船趴趴走到新环境的,一有机会就附着在固体表面,对海洋和水产养殖业造成严重的经济和生态影响,会恶名昭彰地在水下结构上大量积累。

沉积在表面上的生物会增加阻力,降低了船舶的机动性,进而增加了燃油消耗。生物污染也对港口和渔业基础设施造成不利影响,如严重堵塞循环管道。但是,要去除牠们却所费不赀,美国海军每年得花费大约 10 亿美元来防治牠们。

有效却有毒?无毒却无效?

用来防治贻贝等附着性生物的绝大多数武器是含有有毒化学物质的油漆和涂料,以驱赶或杀死牠们。这些有毒材料引起人们的关注,因为它们会不分青红皂白地毒害生物,并且在水中积累,可能破生态环境,还需要定期更换,而且往往不如所预期的那样有效。

一个替代方式是使用含有机硅或硅氧烷聚合物的无毒「低表面能」涂层作为无毒的替代物。低表面能材料兼具疏水性与疏油性质,东西不易黏附上去。但是儘管这些低表面能材料确实让人更容易地除去生物结垢物质,但它们在防止生物体首先附着时的效果较差,易受损伤和腐败。

在 2013 年义大利的一场研讨会上,哈佛大学 Joanna Aizenberg 实验室的博士后研究员 Nicolas Vogel,报告了该他们用一种「光滑注液多孔表面」涂层,防止几乎任何东西黏附到涂了涂层的结构物上。

在研讨会的观众中,专门从事生物材料研究的新加坡南洋理工大学材料科学与工程学家 Ali Miserez,仍认为贻贝会黏附在该涂料上,于是给了 Vogel 一个挑战。Vogel 接受了挑战,并在返回剑桥后向 Miserez 发送了一些 SLIPS 样本,合作研究贻贝能否附着在涂上 SLIPS 涂层的表面 [1]。

灵感来自于食虫植物的滑不溜丢的瓶口

他们的 SLIPS 技术灵感来自于食虫植物的滑不溜丢的瓶口,会让昆虫滑倒跌入笼内,充分利用了生物附着其上的难度。 SLIPS 由注入液体润滑剂覆盖层的固体表面组成,液体润滑剂覆盖层保持在适当的位置,使得任何与液体层接触的物质将直接滑动。SLIPS 以前已被证明对抗细菌和藻类是有效的,但贻贝却是特别恐怖的敌人。

贻贝通过黏合弹性蛋白质丝无选择地附着到亲水和疏水的固体表面,牠们的足丝尖端含有特殊的黏合蛋白,这些蛋白质使得贻贝能够黏附到几乎任何表面,包括金属、矿物、塑料、水泥甚至低表面能含氟聚合物。水是黏附的最大敌人,但贻贝掌握了在水下环境中沾黏的高超技能,黏合蛋白能从目标表面去除水分子,以使斑块与其结合,贻贝的大量积累可以重达每平方英尺 1,700 磅。

为了研究 SLIPS 是否能够对付这些生物污染物,Miserez 等人把俗称孔雀蛤的绿壳菜蛤放置在涂有不同类型无毒生物防污表面的「棋盘」板上,让孔雀蛤选择要黏附在哪个位置 [2]。他们评估了以硅油为润滑剂注入的两种不同类型光滑表面:一层非常薄的二氧化硅和奈米结构的 2D 涂层,以及由普通聚合物聚二甲基硅氧烷的较厚矩阵状 3D 涂层。

他们把这些涂层的非润滑剂注入版本、氧化钨为基础的 2D 涂层、未涂覆的玻璃和两种市面上贩售的无毒生物污垢防垢涂层用于比较。 24 小时后,Intersleek 700 板上约有 75 个孔雀蛤黏合斑,而 i-PDMS 在十五个板的其中一个上中只有 5 个贻贝斑块,显示孔雀蛤实际上并无法很好地黏在 i-PDMS 上。

为什幺孔雀蛤不容易附着到 i-PDMS 上?

他们继续进行研究,以确定为什幺孔雀蛤不容易附着到 i-PDMS 上:是黏不上?还是孔雀蛤是否拒绝附着其上?为了回答第一个问题,该团队测量了将贻贝足丝从各个表面上拉出所需的力,并发现连接在 Intersleek 涂层上的足丝需要从 i-PDMS 中除去所需的力量的两到六倍,移除连接到非注液涂层的足丝需要十倍的力量。

润滑剂注入的表面的液体覆盖层抵抗了贻贝黏合蛋白,保持了表面润滑,因此防止了足丝附着。所有控制组上都发现黏合蛋白,但实验组则无。

为了看贻贝是否附着较少的足丝,研究者把牠们放在每个表面上即时观察。未注入润滑剂的 LBL 和 PDMS 表面上的贻贝表现正常,试探几秒后就在约半分钟内分泌黏合蛋白。

然而,2D 光滑表面上的那些,显着地花了更长的时间试探,并且没有分泌黏合蛋白,而 i-PDMS 上的那些显示出几种异常行为:牠们选择把足丝附着到自己的壳上或相邻的非 SLIPS 涂层表面,或者分泌出一种黏稠的凝胶但不凝固成丝线,要不然就试探表面几秒钟,然后迅速把足丝缩回到壳中。

因为他们发现牠们的足丝含有已知的感知压力的蛋白质,当附着到坚硬固体时会感受到压力。足丝在与两种 SLIPS 涂层接触时检测到「拉」力。SLIPS 不仅是破坏足丝黏合机制外,贻贝原本预期感觉到一个坚硬的表面会对足丝产生压力,而这种来自润滑剂的意想不到的拉力,似乎使牠们抗拒附着上去。

他们与美国麻州斯特勒威根海岸国家海洋保护区合作,将所有实验室测试材料的板块放入港口十六週,看看生物是否会在其上生长。当地有一群恶名昭彰的紫壳菜蛤,可以进行实验室获得的结果与野外实际情况的观察结果进行比较。

结果发现,i-PDMS 不仅显示比 Intersleek 少四分之一的贻贝附着,而且比非注入润滑剂的 PDMS 少了三十倍,同时也超越其他材料来抵抗其他生物污染物质,例如海鞘、水螅和黏菌。

i-PDMS 可以进行化学改性,配製成持久耐用的高性能涂料。他们目前正在世界各地的五个高生物污染海洋地区进行测试。迄今为止,已经阻止了贻贝和其他生物的冲击,持续防止生物污染两年以上。

启示

「润滑剂注入的涂料」有望解决与海洋生物污染有关的重要经济和生态负担,特别是那些由贻贝物种入侵引发的生物污染。这个仿生学研究先是学习了食虫植物的独门绝技,再应用来对付另一种难缠的生物,可谓一物克一物的最佳典範!

参考文献:

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 : 668 DOI: 10.1126/science.aai8977