Las tecnologías de adhesión y revestimiento

Resumen

Las tecnologías de adhesión y revestimiento a menudo emplean la estrategia de procesamiento de imprimación de una superficie antes de la aplicación de una resina a granel para mejorar el rendimiento de la unión. Los imprimadores más comunes para los rellenos minerales en compuestos de polímeros que soportan carga, como los que se usan en las aplicaciones de restauración dental, se basan en productos químicos a base de silano. Sin embargo, el injerto de silano implica el uso de productos químicos tóxicos [ 1 , 2 ] y un procesamiento difícil [ 3 , 4 ] y, por lo tanto, existe una gran demanda de estrategias alternativas para el imprimado de superficies.

La inspiración para nuestro enfoque se encuentra en los mejillones marinos ( Figura 1a ), que utilizan cebadores para mejorar la adherencia a la superficie de las rocas. De las más de 10 proteínas conocidas como Holdfast, incluidas las proteínas del pie de mejillón (mfp) 1–6 y los colágenos, [ 5 - 7 ] mfp-3 y -5 se encuentran en la interfaz entre la placa byssal (la almohadilla adhesiva con forma de disco) y la superficie de la roca ( Figura 1b ) donde actúan como cebadores de superficie. [ 5 , 8 , 9 ]Estos mfps interfaciales tienen una abundancia inusualmente alta (28-34% en moles) de residuos aromáticos que incluyen tirosina (Y), triptófano (W) y una forma de tirosina modificada postraduccionalmente: 3,4-dihidroxifenil-L-alanina (DOPA, Y ' ). De estos, la DOPA ahora se acepta como uno de los grupos funcionales clave para la adhesión en húmedo debido a su fuerte unión bidentada a las superficies minerales de óxido. [ 5 ] Inspirados en la química natural DOPA, numerosos laboratorios han explotado la funcionalización del catecol en la traducción de esta bioadhesión a sistemas sintéticos [ 10 - 12 ] y para diversas aplicaciones [ 1 , 13 - 15 ].tales como materiales funcionales; por ejemplo, se utilizaron polímeros catecol-funcionalizados como aglutinantes para los ánodos de las baterías de silicio y litio, [ 15 ] y se emplearon tensioactivos zwitteriónicos catecólicos como modificadores de la superficie en sustratos dieléctricos nanogrooved para transistores orgánicos de efecto de campo. [ 1 ] Aunque estudios anteriores que utilizan polímeros decorados con catecol han demostrado mejoras en la adherencia, [ 5 , 12 , 16 ] el rendimiento de dichos polímeros hechos por el hombre, [ 16 ] , así como el mejillón nativo aislado y las proteínas modificadas por ingeniería genética [ 17 ]todavía es mucho más bajo que el de las placas de mejillón naturales, en términos de la energía total requerida para desalojar una placa de una superficie. [ 18 ] Estas diferencias pueden surgir de la falta de consideración dada en el trabajo previo a la naturaleza heterogénea de las estructuras de la placa de mejillón [ 19 ] y su impacto en la transferencia de carga dentro del material. Por ejemplo, aunque los residuos de catecol están altamente enriquecidos (20-28% en moles) en mfps interfaciales, son mucho menos abundantes en mfps en volumen (2-5% en moles). No obstante, la mayoría de los esfuerzos en la adhesión húmeda inspirada en el mejillón se han centrado en la aplicación de las funciones de catecol, que promueven la adhesión interfacial a nanoescala, en la fase masiva de polímeros sintéticos. [20 -22 ] Por el contrario, muy pocos estudios de adhesión de mimbre de mejillón [ 23 , 24 ] han intentado crear imprimaciones de superficie para mejorar el rendimiento de la unión, aunque se ha demostrado la fuerte unión catecólica a las superficies metálicas [ 25 ] . [ 26 ]En general, la unión a superficies minerales hidratadas sigue siendo un gran desafío. Simplemente cambiando el paradigma de la traducción, aquí aplicamos el descubrimiento del cebado biológico rico en catecol al cebado catecólico sintético en las mismas escalas de longitud nanoscópica, y logramos una mejora significativa (es decir, un orden de magnitud), en la fuerza adhesiva de un Resina de polimetacrilato convencional (PMA) unida a superficies minerales.

[pic 1]

Figura 1

Imprimación superficial mediante primers de inspiración mejillón. a) Un mejillón unido a la superficie de una roca usando sus byssus (Goleta Pier, California). b) Esquemas que muestran la ubicación de los dispositivos multifunción interfaciales dentro de una placa, y las estructuras químicas de los cebadores inspirados en el mejillón y los cebadores convencionales. c) Imágenes de AFM y perfiles de altura de los cebadores inspirados en el mejillón adsorbidos a la mica.

Nuestra estrategia de usar una capa de imprimación para mejorar el rendimiento de unión de las resinas de PMA convencionales [ 23 , 27 ] contrasta con los pocos enfoques anteriores que utilizaron polidopamina o polimetacrilato que contiene DOPA. Nuestras operaciones de recubrimiento biomimético propuestas utilizan el recubrimiento por inmersión simple de superficies en soluciones acuosas que contienen dopamina a valores de pH de ≈8–8.5; luego, las superficies se remojan durante varias horas para permitir que se complete la reacción de reticulación autooxidativa. [ 13 ] Recubrimiento con polidopamina [ 23 ] o polimetacrilato de catecol [ 27 ]mejora el rendimiento de la adherencia debido a la mejor humectabilidad o cohesión con la coordinación hierro-catecol dentro de la capa de polímero de cebado, respectivamente, pero no se ha demostrado que ninguno de los dos enfoques logre un puente químico directo [ 8 , 28 ] entre el sustrato y la resina PMA. De hecho, tales esfuerzos de recubrimiento difieren de la estrategia nativa de mussel, y quizás no sorprendentemente, la fuerte adherencia húmeda y la alta tenacidad del mussel aún no se han replicado con materiales sintéticos utilizando este enfoque.

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