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本文作者包括Shaowei Chen、Peng Liu、Zhenchun Li、Yuanyuan Bi、Feihong Li 和 Yunwu Yu，均来自于中国沈阳建筑大学材料科学与工程学院。该论文于2023年发表于《Journal of Polymer Science》，其DOI为10.1002/pol.20230205。本文聚焦于仿生贻贝技术的最新进展，探讨了其在膜材料改性中的创新应用并总结了相关粘附机制与设计策略，强调了仿生贻贝技术在改善膜材料功能、增强其表面物理化学特性方面的重要性。
随着工业化的推进及全球性水资源短缺问题日益严重，如何高效地再利用水资源成为重要的研究领域。虽然分离膜技术被广泛认为是解决水污染问题的重要手段，但传统膜材料仍面临水通量提升与抗污染能力改进等挑战。仿生贻贝技术的出现为功能层改性提供了全新的研究思路，其生物粘附特性为膜材料的设计和开发开辟了新方向。
贻贝是一种广泛分布于海岸区域的贝壳类海洋生物，其足丝腺会分泌特殊液蛋白，通过强大的“粘附力”将足丝牢牢附着在固体表面上。研究表明，贻贝分泌物的核心成分为足丝蛋白（MFP），富含DOPA（3,4-二羟基苯丙氨酸）和赖氨酸等关键氨基酸，使其具有高强度、高韧性和强水抗性。2007年，Lee等科学家首次提出了基于多巴胺（dopamine）仿生化学的表面改性方法，开启了仿生贻贝化学的新研究领域。
多巴胺是一种从左旋多巴衍生出的儿茶酚类物质，其分子结构中包含一个儿茶酚基团和胺基，能够在碱性环境或常温下进行自聚，并在多种基质表面沉积。其特有的π-π堆积、氢键作用、电荷相互作用以及与金属的配位能力使其成为仿生功能膜开发的理想候选材料。
通过自聚反应，多巴胺逐步形成网络结构的多巴胺聚合物（polydopamine, PDA）。该聚合物可以通过施行迈克尔加成（Michael addition）和席夫碱反应（Schiff base），进一步功能化以扩大其在膜材料改性中的应用范围。
膜分离技术是水处理的重要手段，其中，膜材料的表面和界面特性直接决定了其分离性能。仿生贻贝技术的应用使得包括多巴胺在内的仿生粘附基团能够与膜材料表面高效结合，从而显著增强膜的亲水性和抗污染能力。
功能化亲水涂层的开发： Xu等科学家开发了一种基于氧化石墨烯（GO）和二氧化钛-多巴胺-聚乙烯亚胺（DTiO2-PDA-PEI）的复合纳滤膜，其展现出优异的亲水性和抗污染能力。 结果数据显示，修饰后的膜通量达到41.6 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，且对目标污染物的截留率高达99.9%。
多巴胺衍生物的探索： Zhao开发了一种基于鞣酸（Tannic Acid）和钛元素的聚合网络，该网络能够有效提高PVDF膜材料的机械性能和疏水性，且成本相对较低，是多巴胺的一个潜在替代品。
无机材料与多巴胺的协同效应： Feng团队通过多巴胺与还原氧化石墨烯及MXene的结合制备了一种用于油水分离的高效复合膜，分离效率超过96%，投料成本较低。
随着研究的深入，多巴胺仿生涂层逐渐被应用于以下领域： - 骨架润湿调节： 通过仿生涂层与聚合物或金属基质的结合，如PVDF和PE材料，可以显著降低膜表面的接触角，提升亲水性。 - 后期修饰能力： PDA涂层的活性功能基团为膜提供了极高的修饰潜力。例如，在PDA基础上引入钛或二氧化硅纳米粒子，可以进一步提升抗污染及选择分离性能。
水凝胶是一种具有三维交联网络结构的高分子材料，常用的水凝胶包括聚乙二醇（PEG）、壳聚糖等。它们通过形成水化层能够有效抑制膜表面的污染物吸附。仿生贻贝涂层与水凝胶的结合为现代膜材料开辟了一个全新的方向。Gao等通过在PVDF膜上涂覆壳聚糖铜离子水凝胶，大幅度提高了膜通量和分离效率。
为了增强膜材料的力学性能，有研究者在水凝胶膜中加入无机填料，例如二氧化钛（TiO2）和二氧化硅（SiO2），从而配合高强度的仿生涂层，进一步提升膜的刚性与耐久性。
仿生贻贝技术因其独特的粘附性能为膜材料的开发提供了广阔的发展空间。在提升膜亲水性及抗污染性能的基础上，科学家们通过结合多巴胺及其衍生物与两维材料（如MXene、COFs）以及水凝胶，进一步扩大了膜材料的应用边界。未来，针对膜材料的研究需要集中在以下几个方向： 1. 开发更加高效且成本较低的仿生材料； 2. 探索多维材料复合膜的长期机械稳定性； 3. 优化仿生涂层在实际工业环境中的性能表现。
这种跨学科综合技术的融合，不仅扩展了仿生贻贝概念的应用范围，还为高效分离膜的开发与应用奠定了基础。