蓝贻贝(Mytilus edulis)生活在海洋潮汐地带，凭借茂密的“足须”牢牢黏附在礁石上，能够抵抗持续不断汹涌的海浪冲击。贻贝的足丝末端能够产生粘性的盘状斑块，这小小的斑块(~2.8 mm2)是贻贝超强水下黏附性能的来源。足丝分泌的粘蛋白能够在潮湿环境下与几乎任何表面形成键合，起到了胶水的作用，这催生了诸多科研灵感。而除此之外，足丝和斑块在基材表面形成的特殊结构也起到了十分重要的作用。使用粘结剂的经验告诉我们，黏附面积越大，粘结效果就越好。但蓝贻贝却是典型的反面教材，盘状斑块相较于贻贝本身而言非常小，而且并不会随着贻贝体型的增长而显著增加。这说明优化粘合区域的结构可能比扩大粘结面积更有利于粘结效果的提升。
雪城大学多尺度材料建模实验室秦钊(Zhao Qin)教授带领研究团队结合机械性能测试、3D打印及数值建模等研究了贻贝足丝和斑块大小对黏附强度的影响。研究表明，足丝和斑块结构控制着斑块的粘附强度，当斑块的直径达到足丝直径的3至5倍时能够产生最佳强度以抵抗界面脱离。此外，粘合强度强烈依赖于基底的结构参数，而不是斑块大小。研究成果以Why mussel byssal plaques are tiny yet strong in attachment为题，发表在《Matter》上。这些发现有助于设计加固系统以确保工程结构的安全。
【蓝贻贝足丝的微观结构】
图1. 贻贝的照片、足丝的多尺度结构及其力学特征
贻贝足丝柔韧且纤细(不足0.3mm)，可以通过底部的斑块连接到包括石头、木材、混凝土、贝壳和铁在内的各种表面上，图1A显示了蓝贻贝足丝黏附在透明玻璃上的照片。斑块其实是一种超薄的薄膜，本身由直径2μm的纤维组成，边缘半透明，含有高浓度的L-3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA），能够与不同基材形成非共价键相互作用（例如离子键和/或氢键）或共价键相互作用，所以贻贝能够与几乎所有类型的材料表面形成牢固的键合。分析贻贝足丝从岩石表面脱离时的力-位移曲线可以发现，斑块的平均强度为0.45±0.26 N，考虑到斑块的面积不足2.8mm2，平均粘合强度可达215±56kPa，比诸多仿生胶的强度还要高一个数量级。随着贻贝体型的增加，他们需要承受的冲击力度也更大（海浪冲击力与贻贝直径成正比），但足丝斑块的尺寸却没有明显变化，随着体型增长的只有用于黏附的足丝数量。
【模拟足丝附着过程】
图2. 假设一根足丝由230根直径2μm的微纤维组成，模拟它连接到基材表面时的状况
为了了解由一束微纤维组成的足丝如何附着到基材上并形成更宽的斑块，文中使用了一个简单的coarse-grained模型(CG model)来模拟纤维膜受力时的变形。在形成足丝斑块之前，微纤维需要适应基体的形状，首先形成胶原核心，接着沿着足丝释放囊泡中的内容物，在几分钟内完成角质层的自组装，最终形成的贻贝斑块非常薄且平坦，界面结合方式显著有别于其他动物（如昆虫、壁虎、蜘蛛等），图2D显示了不同动物触角与橙色固体表面的结合方式。
图3. 3D打印的试样模型及有限元分析
接着研究人员使用3D打印技术制作了许多与斑块和足丝组合形状类似的实物模型，如图3B所示。调节模型的结构参数，如杆(足丝)的直径(d )及斑块的宽度(W)，并分析力-位移曲线可以发现，斑块的宽度越大则结构的强度越高，但当单个试样W/ d 的比值达到3.5时，增加效果会被削弱，此外，增加W有利于能量耗散，这一增强效果可以保持到W/ d =4.5。贻贝附着时往往有多根足丝发挥作用，能量耗散作用也有利于吸收冲击力，因此考虑到实际应用效果，结构参数调整为W/ d =4.5时将获得最佳粘结效果。
图4. 粘结体系的应力分布曲线和机械响应的 FEM 结果
为了进一步明确这种尺寸依赖性的内在机制，通过有限元分析3D打印试样的受力解离过程。分析了不同W/d模型的有限元模拟值并比较足部软材料内的整体机械响应以及应力分布发现，在界面失效之前，应力和变形主要发生在“足丝”下方的中间区域，而不是该区域外的两侧，接着最高法向应力从中间开始逐步向两端传播，而两侧区域则能够在界面失效耗散更多的能量。由于两侧所能承担的应力很小，因此一味扩大斑块尺寸并不能提升粘结强度（中心区域变化不大）。
【结论】
文中专注于研究贻贝足丝和斑块的几何结构，并通过多种方式探究了它优异粘合效果的来源。由微纤维组成的足丝在其末端与基材接触后可以发生平滑弯曲，形成由诸多微纤维沿表面径向分布的薄膜(斑块)。使用3D打印技术制作了放大一百倍的足丝斑块结构模型，通过分析其机械行为发现斑块与足丝直径之比显著影响粘结强度，该比值在3至5之间时，获得最佳的粘结效果。这一发现阐明了斑块尺寸在控制黏附强度方面发挥的重要作用，有助于改善工程应用中胶水的使用原则。人们普遍认为更大的粘结面积对应于更强的粘合力，但文中基于贻贝的研究表明，增加的接触面积只能略微提升粘合强度，类足丝斑块的界面结合显著受益于表面形状。
文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.12.001
来源：高分子科学前沿
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