《Science》子刊：壁虎到底是怎样攀附在垂直墙面上的？
虽然人们普遍认为，壁虎的粘附力受van der Waals (vdW)力的影响，但一些研究表明了非vdW力的影响，并强调了了解粘附接触界面的重要性。以前的研究假设，壁虎刚毛的表面是疏水的，非极性的脂质尾巴暴露在表面。然而，支持这一假设的直接实验证据及其对粘附机制的影响还缺乏了解。
在此，来自美国阿克伦大学的Ali Dhinojwala等研究者，使用界面敏感光谱研究了蓝宝石-刚毛接触界面，并提供了暴露在刚毛表面的极性脂类头基与蓝宝石之间酸碱相互作用的直接证据。相关论文以题为“Direct evidence of acid-base interactions in gecko adhesion”发表在Science Advances上。
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabd9410
壁虎利用其具有粘性的趾垫轻松地在垂直墙壁上上下移动的能力，在过去的20年里获得了相当多的关注，包括从对粘附系统的基本理解感兴趣的生物学家，到对开发新型合成粘合剂感兴趣的材料科学家。这些具有粘性的趾垫的微观结构，特别是对于一种壁虎(Gekko gecko)来说，由数百万个被称为刚毛的细小毛发状结构组成，在趾尖进一步分裂为200纳米宽和5纳米厚的纳米结构，称为铲刀。这些纳米结构，在应用一个小的垂直预紧力和几微米的平行阻力时，与衬底紧密接触。抹刀与基材之间的紧密接触产生的粘附力，超过了壁虎重量的许多倍。
Autumn等人在21世纪初的一项重要工作表明，范德华力(vdW)(也被称为色散力，来自于电子云的瞬时扭曲)，控制着壁虎的粘附力。然而，一些研究对壁虎附着中vdW和非vdW力的相对重要性，提出了质疑。首先，早期的研究表明，壁虎对羟基化表面(如玻璃和氧化铝)的附着力特别高，这不能仅仅用vdW力来解释，因为vdW力对表面化学并不敏感。与裸露的硅片相比，涂有疏水涂层的硅片的刚毛附着力更低，进一步证实了这些结果，并表明除了vdW相互作用之外的其他力量，可能有助于壁虎粘附。
其次，在刚毛和全动物水平上，壁虎的粘附力随湿度的增加而增强，说明毛细力在潮湿环境中对壁虎的粘附也起作用。第三，利用密度泛函理论(DFT)计算甘氨酸和半胱氨酸分子的吸附能，发现vdW相互作用对总体相互作用能的贡献很小。然而，甘氨酸和半胱氨酸分子，可能不能准确捕获复杂的植胶表面结构和植胶-底物相互作用。虽然以上研究，强调了壁虎在使用通用vdW相互作用的同时，也使用非vdW相互作用的可能性，但非vdW为基础的粘附机制的直接分子水平证据，仍然难以找到。
在这里，研究者使用界面敏感SFG，一种二阶非线性光学技术，来检测壁虎刚毛和羟基化蓝宝石(氧化铝晶体形式之一)衬底之间的接触界面。蓝宝石表面羟基(OH)基团的存在，以及蓝宝石羟基与接触材料(在这种情况下是壁虎刚毛)分子间相互作用的性质和强度，对蓝宝石羟基具有固有峰位移的响应。如果壁虎的粘附力完全由vdW相互作用决定，可以预计蓝宝石峰最初在3710 cm−1(空气中)只会移动20到30 cm−1。然而，更高的峰移意味着酸碱相互作用的存在，这是一个包含氢键、电子对给体-受体、亲电亲核试剂和其他极性相互作用的广义术语。
这项工作直接回答了两个问题，这两个问题在过去20年里一直难以解决：(i)界面上是否存在非vdw相互作用可能导致壁虎粘附？(ii)去除未结合的脂质如何影响壁虎的粘附？研究表明，在剥离过程中，由于脂层内的内聚力失效，会留下一层未结合的脂层，从而减少高应力滑动过程中的磨损。这种脂层的缺失增强了附着力，尽管粘合剂与基体的接触面积很小。研究结果表明：壁虎粘附并不是完全基于vdw的无残留系统。
图1 探测蓝宝石-刚毛接触界面的实验构造。
图2 原始刚毛的SFG光谱。
图3 吸附刚毛和附着力结果的SFG光谱。
图4 脂质在刚毛表面的可能排列。
综上所述，该研究结果表明，壁虎与玻璃和蓝宝石等羟基化表面的粘附作用主要是酸碱相互作用，而不是单纯的弱vdW力。SFG结果还表明，与哺乳动物角质层的脂质排列相似，未结合的脂质层位于刚毛表面，头基暴露在外。研究者使用去脂化的壁虎刚毛的结果表明，刚毛的实际接触面积很小(约2%到7%)，与之前基于单个刚毛和整个动物粘附测量的估计相同。通过比较对原始刚毛和脱脂刚毛的观察，研究者强调了未结合的脂质，在磨损和防止刚毛损伤方面的重要作用，并指明这些脂质在脱落过程中有助于快速和方便剥离。（文：水生）