人在光滑的地面上通常行走困難，但在自然界中，有很多昆蟲可以在光滑表面上行走自如。它們的腿上有特殊的結(jié)構(gòu)，稱為腳墊。先前的研究表明，昆蟲腳墊由柔軟的毛發(fā)（剛毛）組成，其尖端具有特定的微結(jié)構(gòu)，呈微片狀、盤狀或尖頭狀。腳墊會產(chǎn)生范德華力、庫侖力和吸引的毛細(xì)作用力，有助于昆蟲粘附到基材表面。
研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲腳墊分泌物中含有非揮發(fā)性脂類物質(zhì)，其末梢與基質(zhì)之間的連接處充滿了可分泌的液體，從而產(chǎn)生了毛細(xì)作用力，使昆蟲能夠附著在基質(zhì)上。
盡管當(dāng)前的研究對昆蟲腳墊的形態(tài)和功能了解得較多，但對于昆蟲的腳墊是如何形成的這一問題至今仍難以捉摸。
日本北海道教育大學(xué)Ken-ichi?Kimura和日本國立材料研究所Naoe?Hosoda等人證明了果蠅的腳墊是由毛細(xì)胞的伸長和肌動蛋白絲的組裝形成的。當(dāng)毛細(xì)胞形成具有肌動蛋白絲束的有效框架時，便會創(chuàng)建功能性的腳墊，從而使毛尖成形并促進(jìn)表皮沉積。作者利用這種微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，設(shè)計了一種新型的人工粘合劑：一種刮鏟狀的纖維框架粘合劑。該粘合劑由尼龍纖維支撐，其尖端帶有凝膠材料。這種簡單的自組裝機(jī)制有利于低成本粘合設(shè)備的節(jié)能生產(chǎn)。該研究以題為“Framework with cytoskeletal actin ?laments forming insect footpad hairs inspires biomimetic adhesive device design”的論文發(fā)表在《自然·通訊》子刊《Communications Biology》上。
【果蠅腳墊的形成】
果蠅腿的遠(yuǎn)端被分為五個部分，前面是構(gòu)成腿尖的結(jié)構(gòu)，在背側(cè)和腹側(cè)分別有一對爪子和一對腳墊（圖1a）。此外，每個腳墊的莖中大約六排或七排有約30根毛（剛毛）。每根毛發(fā)的尖端寬度約為1-2μm，并呈楔形（圖1b）。使用透射電子顯微鏡（TEM）獲得的橫截面圖像顯示，每根頭發(fā)都是由角質(zhì)層組成的扁平管（圖1c）。蒼蠅會在腳墊和底物之間分泌一種粘性流體，并利用有吸引力的毛細(xì)作用力將其附著在表面上。為了檢查果蠅發(fā)育過程中這些腳墊的形成過程，作者使用標(biāo)記物標(biāo)記腳墊細(xì)胞來監(jiān)測腳墊的形成。發(fā)現(xiàn)在腳墊的框架完成后，便開始表皮的沉積過程。作者還使用可抑制細(xì)胞標(biāo)記法進(jìn)行鑲嵌分析，結(jié)果表明，單個標(biāo)記的細(xì)胞形成了單根頭發(fā)的尖端，表明單個細(xì)胞在腳墊上只形成一根毛發(fā)。
【肌動蛋白在足墊形成中的作用】
作者通過熒光蛋白與纖維肌動蛋白分子的結(jié)合，對毛細(xì)胞中的肌動蛋白絲進(jìn)行染色。研究發(fā)現(xiàn)肌動蛋白絲堆積在腳墊細(xì)胞的頂端（圖2a），隨著蛻變過程的進(jìn)行，肌動蛋白絲聚集并形成細(xì)胞內(nèi)呈T狀的骨架。
因此，作者確定了細(xì)胞骨架肌動蛋白絲能夠在腳墊的單個毛細(xì)胞的形成中發(fā)揮作用（圖2c）。研究還發(fā)現(xiàn)，變形的腳墊會減少每根毛發(fā)的尖端與基材之間的有效接觸面積，從而導(dǎo)致粘附到光滑基材上的能力降低?？偠灾?，細(xì)胞骨架肌動蛋白絲是果蠅用于形成和決定腳掌形狀和結(jié)構(gòu)框架中的必要成分。
昆蟲的腳墊發(fā)梢顯示出各種形狀，例如有絲狀、針形、片狀和盤狀。結(jié)果表明，昆蟲通過這種基于肌動蛋白的形態(tài)發(fā)生機(jī)制為腳墊毛的微觀結(jié)構(gòu)提供獨特的形狀。
【仿生粘合劑設(shè)計】
建立腳墊微結(jié)構(gòu)的過程分為兩個步驟（圖3a）。首先，由發(fā)梢的肌動蛋白纖維形成一個呈扇形的框架。其次，表皮物質(zhì)被分泌、積累，然后固化。因此，作者提出了一種使用類似的兩步法制造粘合劑結(jié)構(gòu)的策略（圖3b）。第1步：用尼龍纖維設(shè)計結(jié)構(gòu)框架。第2步：將框架浸入樹脂中，并通過表面張力使之形成小巧的結(jié)構(gòu)。最終的膠粘劑結(jié)構(gòu)包含一個由尼龍纖維支撐的片狀結(jié)構(gòu)，膠狀海藻酸鈣材料作為尖端，是與基材的接觸點（圖3c）。浸入水中后，該粘合劑的粘合強(qiáng)度為40±15 mN。當(dāng)該粘合劑幾乎完全干燥后，其表現(xiàn)出更高的平均粘合強(qiáng)度（779±108 mN），相當(dāng)于能夠懸吊60公斤體重的人。圖3e和f展示了一根粘著的頭發(fā)能夠懸掛52.8 g的硅片。
總結(jié)：通過研究昆蟲足墊微結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理，作者仿生設(shè)計了一種有效的粘合劑。作者使用高水分含量的材料來作為位于設(shè)備尖端的高度靈活的薄結(jié)構(gòu)，從而增加了實際的接觸面積并提高了在粗糙表面上的粘合能力。此外，通過使用尼龍纖維來實現(xiàn)合并具有高抗拉強(qiáng)度的毛狀纖維，使其能夠承受反復(fù)的附著和分離。未固化的液態(tài)原材料（例如海藻酸鈉）將有助于簡化制造過程并降低與設(shè)備相關(guān)的生產(chǎn)成本。
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