高性能乾湿接着剤におけるカテコールとアミンの協調性

Cooperativity of Catechols and Amines in High Performance Dry/Wet Adhesives.

• Brylee David B Tiu
• Peyman Delparastan
• Max R Ney
• Matthias Gerst
• Phillip Messersmith

抄録

イガイの糸の優れた接着性能は、過去数十年にわたり材料科学者のインスピレーションの光となってきました。歴史的には、独特のカテコールアミノ酸であるジヒドロキシフェニルアラニン（Dopa）がかなりの量含まれていることが、ヒラタガイの界面タンパク質の強力な乾湿接着特性に重要な役割を果たしていると考えられてきました。近年、短いペプチドまたは低分子アナログを用いた分子レベルおよび顕微鏡レベルの研究により、他のアミノ酸がイガイの接着に果たす役割が検討されてきた。特に、これらの研究では、カチオン-π相互作用の凝集的な役割や、Dopaと隣接するリジン残基との間の接着相乗効果が強調されています。アミノカテコールとの相乗効果を利用した高度な合成接着剤を設計するために、従来のPSAモノマーであるアクリル酸ブチルとアクリル酸に、貝類に由来するリジンと芳香族を豊富に含むモノマーを共重合させて、高分子感圧接着剤（PSA）を合成した。特に興味深かったのは、アミノ基とカテコール基を互いにデカップリングさせた場合（すなわち、別個のモノマーとして組み込む場合）と、カテコールとアミンがモノマー側鎖で固定配向で結合したモノマー構造の場合の結果を比較することであった。包括的なマルチスケール接着アッセイを使用して、AFM支援力分光法、剥離および静的せん断接着を組み合わせて、分子、顕微鏡および巨視的レベルでの性能をプローブするために使用されました。その結果、カテコールとアミンを同一モノマー側鎖内で結合させることで、巨視的な接着性能を向上させる最適な協調効果が得られることを示した。本研究で得られた知見は、イガイの接着の基礎原理の理解を深めるとともに、高性能バイオインスパイアード接着剤を合理的に設計するための確固たる枠組みを提供するものである。

The outstanding adhesive performance of mussel byssal threads has been a beacon of inspiration for materials scientists over the past few decades. Historically, presence of a significant amount of the unique catecholic amino acid dihydroxyphenylalanine (Dopa) has been considered to play a key role in strong dry and wet adhesive properties of the byssal interfacial proteins. In recent years, molecular and microscopic level studies using short peptides or small molecule analogs have investigated the roles of other amino acids in mussel adhesion. In particular, these studies have highlighted the cohesive role of cation-π interactions as well as the adhesive synergy between Dopa and flanking lysine residues. Inspired to design advanced synthetic adhesives that exploit amino-catechol synergy, we synthesized polymeric pressure sensitive adhesives (PSAs) by copolymerizing traditional PSA monomers, butyl acrylate and acrylic acid, with mussel-inspired lysine- and aromatic-rich monomers. Of particular interest was to compare the consequences of decoupling amino and catechol moieties from each other (i.e. incorporated as separate monomers) versus a monomer architecture in which the catechol and amine were coupled together in a fixed orientation in the monomer side chain. Comprehensive multi-scale adhesion assays were used to probe performance at the molecular, microscopic and macroscopic levels through a combination of AFM-assisted force spectroscopy, peel and static shear adhesion. We showed that coupling of catechols and amines together within the same monomer side chain produced optimal cooperative effects in improving macroscopic adhesion performance. The findings in this study improve our understanding of underlying principles of mussel adhesion and provide a solid framework for rational design of high-performance bioinspired adhesives.

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