如何在没有有害化学物质的情况下制造出更好的粘合剂

据考古学家估计，我们使用粘合剂已经有20万年了。我们的进步是显著的，特别是随着战后合成粘合剂的大发现。环氧树脂、聚氨酯、氰基丙烯酸酯和丙烯酸聚合物都通过提供高性能和高效率使我们的生活更加丰富，当我们想要将两件东西粘在一起时。粘合剂在建筑世界无处不在，从包装到产品，从建筑到基础设施。然而，这些奇妙的合成材料是有代价的：许多是致命的毒素。

大多数胶水和粘合剂都含有我们的一些更糟糕的配方：溶剂，如苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、丙酮、甲醇、苯酚、烷基苯酚和二氯甲烷。例如，苯是EPA A级致癌物。它能破坏红细胞和白细胞（再生障碍性贫血），是一种可疑的免疫系统抑制剂。

情况并非总是如此。在过去，我们的胶水大多来自大自然：动物部分的蛋白质或牛奶、鸡蛋、淀粉或植物的天然树脂等产品。现在，研究人员正在寻找大自然为工作更好、无毒的胶水提供新的来源。他们的目的是模仿自然界的化学物质，而不是开发自然资源。

麻省理工学院的一个工程团队开发出了一种据称是世界上最强的基于蛋白质的仿生水下粘合剂。由美国海军科学研究所、国家科学基金会和国家卫生研究所资助，他们的研究发表了在9月21日出版的《自然纳米技术》杂志上。

研究人员必须同时复制贻贝和细菌的蛋白质，才能制造出一种比软体动物所能制造出的产品更坚固的工程产品。并不是说贻贝不令人印象深刻。这种海生双壳类在世界温带低潮间带和中潮间带很常见。不断受到海浪的冲击，它已经形成了一个有效的锚定系统。它形成一个粘性蛋白质或蛋白质的半径旁丝线它可以粘在任何东西上，包括聚四氟乙烯。这种能力是由于这些蛋白质的化学组成。

那么，是什么让贝索斯河蚌即使在水下也粘得这么好呢？这都是关于吸引力的，也就是说，化学性的。蛋白质是由氨基酸组成的，氨基酸是基本的分子结构单元。其中之一，在贻贝蛋白质中，含有一种称为邻苯二酚（苯环上的两个羟基）的功能性排列。这些分子与其他物质中的其他邻苯二酚形成强键，例如岩石中的金属；事实上，这些分子的强度如此之强，以至于它们宁愿彼此结合，而不是最混杂的分子——水。

麻省理工学院的团队使用了大肠杆菌细菌作为工厂生产两种蛋白质，通常由贻贝制成。然后他们将这些蛋白质嵌入自组织细菌的晶格中，这种蛋白质通常存在于称为卷曲纤维的黏性生物膜中。正是这些来自两种不同生物体的设计蛋白质组合成一个复杂的阵列，使得粘合剂如此牢固。这种致密的纤维网规则但柔韧，能很好地粘合在潮湿和干燥的表面。

生物工程、电气工程和计算机科学（EECS）副教授Timothy Lu说：“我们的最终目标是建立一个平台，在这个平台上，我们可以开始构建将多个不同功能领域结合在一起的材料，并看看这是否能给我们带来更好的材料性能。”和论文的资深作者。

研究人员看到了在海洋和生物医学领域的先进应用。他们正忙于扩大蛋白质的生产规模，而不仅仅是小批量的实验，修补配方中蛋白质的相对比例。他们还考虑将生物膜用作“活胶”，即当表面受损时，可分泌粘合剂的预防性涂层。

哥伦比亚森林产品公司是“贻贝胶”的先驱

贻贝胶以前曾用于制造业。哥伦比亚森林产品公司在2003年至2006年间，开发了一种仿贻贝的硬木胶合板Purebond系列胶水。该公司是第一家提供无甲醛胶合板的公司，该胶合板采用生物基热固性胶层压而成。

甲醛是一种挥发性有机化合物（VOC），对所有动物都有剧毒，是致癌物。2011年，美国国家毒理学计划甲醛被描述为“已知的人类致癌物”。在胶合板工业中，通常用尿素处理甲醛以制备脲醛树脂，脲醛树脂是将所有薄层木材粘合在一起形成较厚板材的胶水。

哥伦比亚公司的新型生物胶配方是以大豆为基础的，但是蛋白质已经被改变成更接近贻贝的蛋白质。这项新技术由俄勒冈州科瓦利斯俄勒冈州州立大学木材科学与工程系副教授李凯昌博士发明并获得专利。他认为需要一种基于现成大豆的廉价批量生产的生物粘合剂，并找到了一种方法来阻止大豆中某些氨基酸的表达，而这些氨基酸在贻贝蛋白质中并不存在。

哥伦比亚是美国最大的硬木胶合板和单板制造商，能够制造出一种在许多方面实际上比同类UF替代品性能更好的产品。经测试，Purebond比其UF竞争对手具有更强的耐热性和防潮性，同时具有竞争力的价格，并可将挥发性有机化合物减少90%。它获得了低排放材料：复合木材类别的LEED EQ学分4.4认证。通过在早期将七家工厂改造成Purebond生产设施，该公司能够在没有后续竞争对手的绿色加价的情况下赶上消费者对低毒内饰的需求浪潮。

在未来五年内，全球粘合剂市场预计将超过500亿美元。遗憾的是，这些粘合剂中有许多是合成的，有毒的，但是麻省理工学院和哥伦比亚森林产品公司的创新给了我们希望，我们可以找到一种更安全的方式来建设我们的世界。

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