【贻贝仿生功能化概述2600字】

VII贻贝仿生功能化概述1.1贻贝仿生化学贻贝作为一种长期生活在海洋的生物，能长期经受风浪的冲刷，这主要得益于贻贝自身通过足腺细胞分泌的贻贝足丝蛋白（Mytilusedulisfootprotein，Mfp），又称作贻贝粘蛋白（Musseladhesiveprotein，MAP）。这些蛋白质以液体的形式从贻贝腹部分泌，然后凝固形成细丝和粘性斑块，使贻贝牢固的粘附在岩石、海岸和船体等物体上[30]。贻贝的足丝如图1-3所示。经过对Mfp的大量研究发现，Mfp有八种主要成分：Mfp-1~6、preCoID和preCoING。它们的组成比例和作用各不相同，而Mfp-3和Mfp-5中共同含有高含量的L-3,4-二羟苯丙氨酸(DOPA)中的邻苯二酚结构被认定是贻贝具有极强粘附性能的关键组分。多巴胺(dopamine，DA)作为DOPA的衍生物，不仅富含邻苯二酚结构，还携带了端氨基，这种官能团具有极好的亲和力。简而言之，贻贝仿生化学就是利用邻苯二酚类化合物可以在室温或碱性条件下自聚合形成聚合物涂层，先让其凭借高粘性的特点牢牢的粘附在几乎任何材料表面，再通过结合其他有机反应进行二次修饰，在材料表面引入特定的官能团，例如氨基和羟基，提高材料的分散性和吸附能力。图1-3贻贝的足丝及其示意图1.2结合其他有机反应的功能化修饰随着技术的发展，基于贻贝仿生化学的表面改性方法，人们可以对相应的基底材料进行进一步的功能化，即二次修饰，从而设计出针对性更强的功能化材料。这些方法包括表面引发的原子转移自由基聚合(SI-ATRP)、可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)、单电子转移-活性自由基聚合(SET-LRP)、光辐射引发的表面聚合、迈克尔加成反应（Michael加成反应）和席夫碱反应（Schiff碱反应）等有机反应，目前已被用于环境处理等各个领域[31]。ATRP是一个活性自由基聚合过程，以过渡金属化合物为载体，使用简单的有机卤化物作为引发剂，用于制备摩尔质量控制良好且结构明确的材料，该过程通过氧化还原反应的动态平衡控制[32]。该方法速度快、反应条件温和、适用单体广、试剂价格低廉且容易获得。基于这些优势，ATRP已成为合成聚合物最常用的方法之一，可制备分子量可控、结构明确及序列可调的功能化聚合物。而SI-ATRP是ATRP方法的延伸，其关键是要把引发基团固定在材料表面。然而，大多数材料只有表面上的几个活性位点，尤其是高惰性材料，这使得引发基团的固定变得困难。RAFT是一种主要通过使用链转移剂(CTA)来进行自由基聚合的方法。适用于大多数单体制备多分散性聚合物。此外，该方法反应范围广，包括水溶液、乳液及悬浮液等。因此，RAFT被认为是设计性聚合物的通用聚合方法。但是温度过高时，引发体系会发生热降解，致使聚合速率降低，影响聚合反应。SET-LRP因其在低温下的高聚合速率而受到极大关注。Xie等[33]运用贻贝仿生化学反应、酰胺化酯化反应和SET-LRP三步实现了对CNT的修饰，在25分钟内，所制备吸附剂对MB染料的吸附能力达到了174mg/g，显示出高效的吸附能力。SET-LRP是一种类似于ATRP的Cu(0)介导的可逆失活自由基聚合，广泛用于快速合成特定结构的大分子。与其他反应机制不同的是SET-LRP是一个外球电子转移过程，Cu+在合适的溶剂中发生歧化，形成Cu(0)和Cu2+。SET-LRP的优点是聚合速度快，可以在大气和水溶液中进行，合成上百万分子量聚合物，缺点是单体转化率仅有80~90%，产物中含有的铜会加速材料氧化，可重复性差。光辐射引发的表面聚合与常规聚合方法不同，其是由光引发的，光辐射引发的表面聚合通常反应很快、不产生污染、易操作且可用于多种单体的直接聚合，因此光辐射引发的表面聚合已广泛应用于各个领域。Sheng等[34]基于光辐射引发的表面聚合，报道了一种新型表面聚合物改性方法。在报道中，PDA层被用作光活性物质，以产生表面结合自由基，从而在阳光下引发表面自由基聚合。此外，这种新颖的方法可以用来制造复杂的图案，通过控制光来控制PDA表面上的反应区域。许多官能团(如氨基和邻苯二酚基团等)可以通过贻贝仿生化学引入到基底材料的表面上。这些官能团不仅可以用于固定ATRP的引发剂或RAFT的CTA，还可以通过迈克尔加成反应裹覆在材料表面上，增加材料的活性位点。Zeng等[35]运用贻贝仿生化学和Michael加成反应对原始CNT进行了逐步修饰，制得富含多种功能团且易降解的新型碳纳米管复合材料，通过对Cu2+进行吸附实验，该材料的最大吸附量为38.18mg/g。Guo等[36]基于贻贝仿生化学反应和Michael加成反应，对CNT进行改性，通过在表面修饰中引入裸露的氨基位点，制备出新型碳纳米管吸附剂，该复合物显现出良好的Cu2+吸附能力。通过贻贝仿生化学和Michael加成反应的结合，改性后的材料与改性前相比，显示出更优越的性能，使其在更多领域得到重视和应用。Schiff碱反应则指的是在化学反应中，由聚合反应、催化反应及电催化反应等合成含有亚胺或甲亚胺特性基团(-RC=N-)的一类有机化合物的一种化学合成反应[37]。Huang等[38]采取贻贝仿生化学和Michael加成反应成功制备了高吸附量、可多次循环的SiO2@PEI-TA吸附剂。首先通过CCh基团的强亲和力，对SiO2进行改性。再在碱性条件下与TA和PEI进行Michael加成，将活性氨基基团沉积在SiO2表面，使吸附剂拥有大量的吸附活性位点，而制备的SiO2@PEI-TA吸附剂在改善吸附剂性能的同时，还提高了吸附剂在酸性溶液的稳定性。但是，这种结合目前仍存在许多问题。例如：聚多巴胺涂层的形成时间较慢且成本较高，一般需要12~24小时甚至更长；聚多巴胺的形成是通过非共价键相互连接的，若进行二次修饰的实验条件存在强酸、强碱以及强极性溶剂等情况时，聚多巴胺的稳定性会变差，从而影响后期特定官能团的裹覆。因此开发新型的能够克服上述不足的贻贝仿生改性方法对于其实际应用具有重要的意义。参考文献[1]黄强.纳米二氧化硅贻贝仿生化学和Michael加成反应及环境应用研究[D].南昌:南昌大学,2018.[2]DawoodS,SenTK.RemovalofanionicdyeCongoredfromaqueoussolutionbyrawpineandacid-treatedpineconepowderasadsorbent:equilibrium,thermodynamic,kinetics,mechanismandprocessdesign[J].WaterRes,2012,46(6):1933-1946.[3]WangQ,YangZ.Industrialwaterpollution,waterenvironmenttreatment,andhealthrisksinChina[J].EnvironPollut,2016,218:358-365.[4]郇洋洋.丙烯酸改性碳纳米管制备及其复合膜对染料吸附性能研究[D].天津:天津工业大学,2019.[5]DottoG,SantosJ,RodriguesI.AdsorptionofMethyleneBluebyultrasonicsurfacemodifiedchitin[J].JColloidInterfSci,2015,446:133-140.[6]IslamMS,AhmedMK,RaknuzzamanM.Heavymetalpollutioninsurfacewaterandsediment:apreliminaryassessmentofanurbanriverinadevelopingcountry[J].EcologicalIndicators,2015,48:282-291.[7]王伟丽.改性碳纳米管和海藻酸钠对水中污染物的吸附研究[D].郑州:郑州大学,2019.[8]王露露.溶剂萃取法处理苯酚丙酮废水的工艺优化研究[D].兰州:兰州交通大学,2018.[9]杨鹏飞,焦纬洲,刘有智等.溶剂萃取法处理硝基苯废水的操作条件优化[J].化学工程,2018,46(05):1-5.[10]梁毅.有机染料废水的处理方法研究进展[J].现代工业经济和信息化,2020,10(07):129-130+156.[11]刘杏红.聚多巴胺包覆的磁性碳纳米管对水中Ni(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附作用研究[D].衡阳:南华大学,2020.[12]王楠.不同维度碳材料的功能改性及其对Pb~(2+)的吸附研究[D].天津:天津大学,20