超分子粘合剂由于其粘合行为、刺激响应性、温和的形成条件和可逆性而引起了广泛关注。这些粘合剂中的动态非共价相互作用对于在各种条件下控制其粘合性能至关重要。然而，这些粘合剂的粘合强度几乎不超过共价交联粘合剂，导致实际应用受限。大多数超分子粘合剂在严苛的环境条件下无法提供强粘合力。因此，必须通过合理的分子工程将其他相互作用引入粘合剂来解决这一难题。主客体相互作用提供了额外的驱动力来增强粘合剂的内部相互作用，从而进一步提高各种条件下的粘合性能。因此，相互作用的操纵系统内分子水平的网络为制造坚固的超分子粘合剂创造了条件。然而，现阶段开发具有极端温度耐受性的坚固粘合剂依然极具挑战性。鉴于此，中国科学院长春应用化学研究所刘雅薇博士、刘凯教授和张洪杰院士、中国科学院温州研究院叶方富研究员以及乌尔姆大学有机化学研究所孙静博士通过利用工程化冠醚和蛋白质构件之间的协同主客体分子相互作用，报告了一种新型耐温冠醚蛋白（CEP）粘合剂。CEP粘合剂的输出在-196至200°C的宽温度范围内表现出约22 MPa的超高剪切粘合强度，优于其他已建立的超分子或聚合物粘合剂。温度诱导的相变和内部结合水使系统稳定，并在极端条件下产生极好的粘附力。冠醚蛋白粘合剂表现出持久的粘合行为、出色的水下稳定性、可重复使用性和潜在的生物医学应用。因此，由分子工程驱动的已建立的新型粘合剂系统可能是先进制造在多种高科技极端环境中使用的坚固材料的替代策略。相关工作以“Molecular Engineered Crown-Ether–Protein with Strong Adhesion over a Wide Temperature Range from -196 to 200°C”为题发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。

        超强超分子粘合剂的分子工程是通过合成冠醚衍生物和生物工程蛋白质之间的静电和主客体相互作用制备的（图1）。结构阳离子蛋白和二苯并-24-冠-8 (DB24C8) 衍生物的分子工程有效地产生了一种新型耐温超分子粘合剂。具有VPGKG的五肽重复基序的高阳离子生物工程蛋白质在大肠杆菌（E.coli）中表达（K：赖氨酸）。具有不同分子链长度的生物工程蛋白家族，命名为K18、K36、K72和K144（数字表示赖氨酸残基的数量）。蛋白质与TDB24C8之间的固化时间和电荷比显着影响粘附性能。作者采用5天的固化时间和2:1的蛋白质和TDB24C8的电荷比来制备CEP粘合剂。系统中的阳离子-π、静电、疏水和π-π相互作用可能对强大的粘附性能有显着贡献。值得注意的是，冠醚部分和赖氨酸之间引入的主客体相互作用可以作为调节CEP粘附行为的额外驱动力。

图1超分子冠醚蛋白粘合剂的设计与制备

        结果表明，随着蛋白质摩尔质量的增加，CEP粘合剂的粘合性能显着提高（图2）。CEP144粘合剂的平均搭接剪切强度为22.3 ± 2.1 MPa，粘合能为6.02 × 103 J∙m^-2，超过了报道最多的超分子粘合剂。CEP144粘合剂在铝、玻璃和木材上也表现出很强的粘合行为，且具有出色的可重复使用性。CEP144粘合剂的最佳搭接剪切强度在预固化1小时然后暴露于水中1小时后保持在~1.1MPa。将TDB24C8和CEP复合物与A549癌细胞和正常L929细胞（小鼠成纤维细胞）共培养，以探索它们的生物相容性。在共聚焦显微镜图像中未检测到明显的死细胞，表明CEP 粘合剂具有良好的生物相容性。由于出色的粘附性能和生物相容性，在小鼠肾脏和肝脏模型中实现了止血应用。

图2各种条件下的粘合性能

        为了更深入地了解系统的相位依赖性粘附现象，作者通过计算机模拟探索了CEP144在不同温度下的凝聚行为（图3）。结果表明，CEP144凝聚层中的接触增加，在较高温度下距离减小。冠醚通过冠醚和赖氨酸之间的主客体相互作用与蛋白质表面紧密结合，在相变过程中进一步增强。此外，作者进一步评估了CEP144粘合剂的潜在低温应用。将同一批粘合剂浸入液氮中，预处理不同时间后，未观察到搭接剪切强度明显下降。即使在低温处理30天后，CEP144胶粘剂仍表现出超过19MPa的高粘合强度值，显示出其出色的长期稳定低温粘合能力（图4）。值得注意的是，CEP144粘合剂能够在从室温到液态N₂气氛的显着温度变化期间悬浮一个65公斤的成年人，然后再回到室温。所有这些低温条件下的宏观粘合行为显着拓宽了CEP粘合剂的应用前景。

图3相变过程中的表征和计算机模拟

图4 -196°C条件下的粘合性能

 

原文信息：K. Zhao, Y. Liu, Y. Ren, B. Li, J. Li, F. Wang, C. Ma, F. Ye, J. Sun, H. Zhang, K. Liu, 

Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202207425; Angew. Chem. 2022, 134, e202207425.