由于潮湿表面的水化作用、高盐分以及酸碱度的影响,人工合成的粘附材料在潮湿表面的应用范围受到了很大限制,并且粘附效果也大打折扣。而海洋生物贻贝可以通过足丝将自身牢牢固定在海洋中的礁石、海床甚至移动的船舶表面。研究发现,起到这种固定作用的是一种翻译后修饰的特殊氨基酸——多巴。实验证明,多巴不仅可以吸附在多种化学属性不同的固体表面上,还可以通过与铁离子形成配位键,在足丝表面形成一层起保护作用的角质层。利用表面力测量仪,Waite等人对贻贝足丝蛋白的粘附机理以及多巴与铁离子配位机制有了较为系统的研究。但由于表面力测量仪测量范围以及力学分辨率等因素,在单分子层面,多巴与固体表面的相互作用、影响多巴吸附能力的物理、化学因素以及多巴与金属离子配位机制等问题尚未研究清楚。基于原子力显微镜的单分子力谱技术已经被广泛应用于测定蛋白质力学性质、供体-受体相互作用以及化学键强度等科学实践中。利用单分子力谱技术可以表征单个多巴分子与不同固体表面的结合情况,以及表面原子结构、多巴苯环上取代基、多巴周围电荷情况等物理化学因素对多巴与固体表面粘附能力的影响。利用本实验室最近发展的"多鱼钩"单分子力谱手段,多巴分子与铁离子的配位情况可以被高效的测量出来。我们单分子层面的研究结果,不仅解释了贻贝足丝蛋白与固体表面吸附的分子机理以及影响吸附能力的环境因素和基本规律,还为设计新型仿生材料、无机材料表面改性以及表面粘合剂提供了分子层面的指导。第一章,简述了基于原子力显微镜的单分子力谱技术原理以及贻贝足丝蛋白粘附机理、当前研究现状以及存在的问题。第二章,介绍了利用"多鱼钩"单分子力谱方法研究单个多巴分子与不同化学属性固体表面的粘附行为以及影响因素。通过将多巴分子连接在一段高分子长链上,我们可以高通量的测得多巴与不同表面的吸附力。研究发现,多巴与九种不同的有机或无机表面在1000 nm/s的拉伸速度下解离力都在60-90pN。这表明,多巴可以与多种不同类型的表面有很强的吸附作用。此外,通过构建多巴与固体表面解离过程的自由能谱,进一步揭示了多巴与这些基板的结合方式。这些实验结果揭示了多巴强大吸附能力的分子机制。利用单分子力谱实验测得的多巴与基板解离的动力学参数,结合蒙特卡洛模拟计算,可以定量估计出高分子中多巴含量与高分子黏附强度之间的关系。计算结果表明当多巴含量较低时,多巴与表面的结合强度随着多巴含量增长迅速增强,而当多巴含量较高时,这种快速增强的趋势则不明显。这解释了在贻贝足丝中,多巴的含量大约都在10%。本章的实验结果定量的预测了多巴含量对多巴与不同表面的粘附强度,为设计新型含多巴的表面吸附材料提供实验依据。第三章介绍了材料表面原子结构对多巴吸附能力的影响。我们选择金红石(110)、(011)、(111)和(100)四种晶体表面作为研究对象,通过化学方法将多巴胺用一段聚乙二醇高分子连接在AFM探针上面进行单分子力谱测量。单分子力谱实验结果证明,即使对于化学结构完全确定的晶体表面,多巴仍然可以以多种相互作用模式与这些表面结合。多巴与这些表面的结合力在40-800 pN(1000 nm/s拉伸速度下),并且结合力的大小与这些表面的原子结构有着很大关联。本章的研究揭示了接触面局部的化学环境,可以很大程度影响多巴的粘附能力。本章的研究结果对多巴与界面相互作用原理以及多巴粘附材料的应用提供了分子层面的指导。第四章讨论了贻贝足丝蛋白中赖氨酸与多巴的协同性吸附。研究贻贝足丝蛋白序列可以发现,多巴周围往往富含带正电荷的赖氨酸。实验证明,多巴与赖氨酸有着协同性吸附的效果,但是二者协同吸附的机理尚不清楚。在本章的研究中,首先用化学方法合成赖氨酸-多巴、甘氨酸-多巴二肽,并分别将这些二肽通过聚乙二醇分子连接在原子力显微镜探针上,利用单分子力谱方法测量这些二肽与二氧化钛、云母基板的相互作用。单分子力谱实验结果表明,当赖氨酸侧链中的氨基暴露出来时,赖氨酸-多巴二肽对云母和二氧化钛基板的吸附力有明显提高,而当赖氨酸侧链上的氨基被保护起来时,二肽的吸附力则没有明显加强。同时,这种协同作用与短肽的序列有关,当二肽序列变为多巴-赖氨酸时,并不能产生协同吸附的效果。通过分析短肽的结构,我们认为这种协同吸附效果的差异是由于在不同的二肽中,分子内受力分布不同导致的。本章的研究结果解释了贻贝足丝蛋白的协同性吸附作用,为人工黏附材料的设计提供了新的启发。第五章介绍了关于多巴与铁离子配位作用的研究。在贻贝足丝蛋白外包裹着一层角质层。角质层中含有大量的多巴-铁离子配位结构。这种结构可以在提供足够韧性的同时,又可以有效的耗散能量,保护贻贝足丝蛋白核心不会被外力扯断。实验结果证明,多巴和铁离子可以形成单位配、二配位和三配位结构。形成何种配位结构受溶液环境pH以及铁离子浓度共同调控。我们首先将多巴化学交联在透明质酸长链上,通过加入氯化铁溶液,制成透明质酸-多巴-铁离子(HA-DOPA-Fe3+)纳米颗粒。通过原子力显微镜探针钓起单个的HA-DOPA-Fe3+纳米颗粒,进而测量多巴与铁离子的结合情况。通过改变溶液pH和铁离子浓度,从而研究二配和三配位情况下多巴与铁离子的结合力。本章的实验结果对从分子机制上理解生物体中配位键对生物材料力学性质的影响,并可以为未来合成新型功能仿生材料提供参考。本文详细研究了贻贝足丝蛋白中多巴对不同材料的粘附能力以及多巴与铁离子的配位作用。本文的研究结果不仅解释了贻贝足丝蛋白对各种表面的强力吸附作用,还对新型仿生材料的设计提供了新的思路。