基于生物色素和贝类粘性的仿生染色在纺织材料上的应用

As well-known, the long evolution of the nature generates many rather unique and optimised bioprocesses. The eumelanins and pheomelanins found in human air give natural colors, harmless to the skin, and there is no pollutants in their formation process. It was found that they share a common biosynthetic pathway related to the enzymatic oxidation, cyclization and subsequent polymerization processes of 5,6-dihydroxyphenylalanine (DOPA). Pheomelanins is involved an additional reaction of dopaquinone with nucleophilic cycteine, whose products also participated in the polymerization. On the other hand, marine mussels can secret a liquid adhesive which can harden within a few seconds and adhere to virtually any surface permanently. Previous studies found the liquid adhesive contains a high level of DOPA, which is believed to play an important role in the permanent adhesion by its interactions with the surface, such as hydrogen bonds, ionic bonds, covalent bonds, etc. Inspired by these phenomena, the project is proposed to dye textile fibres using DOPA and its derivatives, which can in-situ self-polymerize to form melanins-like colorants at room temperature on fibres and stably adhere to the fibres through the different interaction with the fibres. And the color hues of the dyed fibres will be tuned in a controllable way by adding a second necleophilic component into the dyeing bath. In our present research, by using the proposed method different natural-looking colors can be otained on different kinds of textile fibres including cotton, wool, polylactide acid, even polybenzimidazole which is very difficult to be dyed with the tradtional method. From these preliminary study results, the proposed biomimetic approach shows the high feasibility of application in textile dyeing.

众所周知，长期的自然进化产生了许多独特和优化的生物过程。人类头发中的黑色素和褐黑素颜色自然，对皮肤无害，而且在形成过程中不产生污染物。研究发现这两类色素都是由3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA）经过酶促氧化生成醌，然后经过环化和后续聚合生成。而褐黑色多一个DOPA醌与亲核性的半胱氨酸反应的过程，其产物也参加聚合过程。另一方面，水下贝类生物与各种物体表面接触后立即分泌出一种粘液，并会在数秒内固化产生持久的粘附能力。研究发现粘液中的DOPA含量很高，由其引起的氢键、离子键、共价键等作用对粘性起重要的作用。受此启发，本课题利用DOPA及其衍生物在室温下原位自聚形成黑色素类似的染料，能与纤维之间形成强的相互作用而进行稳定的着色。同时，在染色过程中加入亲核性的反应组分实现对织物纤维颜色的可控调节。前期结果表明，此方法能够将棉、羊毛、聚乳酸及难染色的聚苯并咪唑等多种纤维染成不同的自然色泽，可行性很高。

传统染色工业常需要消耗大量的能源，产生大量的含有酸、碱、无机盐的有色废水，排放到环境中会对生物体引起致命的毒害。因此，发展环保节能的新技术是染色工业的必然要求。人类头发中的黑色素是由3，4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)经过氧化聚合的生物合成过程产生，而DOPA在海洋贻贝的万能持久的粘性中也起着重要的作用。在本课题中，这两种生物现象的机制被仿生应用到纺织材料的着色，以解决传统染色中的问题。.以DOPA的结构类似物，例如多巴胺和多酚等，为前驱体，经过氧化、原位聚合过程，能够在室温下将织物染成褐色等类天然色。添加带有亲核基团的化合物，例如氨基酸等，与前驱体的氧化中间体反应，调节其聚合化学过程，可以改变其颜色。依此可以将织物染成不同的颜色，除了褐色外，还包括红色、绿色、蓝色等，以简单的方式实现对染色织物颜色的可控调节。以聚多巴胺作为染色锚点，商品染料可实现在不同纤维上的着色，以增加染色织物的色泽。在多巴胺存在下，水溶性的罗丹明B可以将超疏水的聚苯并咪唑纤维织物染成红色。在45o测试斜坡上，水滴可以停留在染色织物上，而从未染织物上瞬间滚落，织物表面可润湿性的变化证实了成功染色。同样，在多巴胺的作用下，主要用于天然纤维染色的天然染料可以将丙纶、聚乳酸等合成纤维染成较深的颜色。向发色体结构中引入儿茶酚胺官能团作为染色锚点，设计合成了一类新型的儿茶酚胺染料，包括单儿茶酚胺染料和双儿茶酚胺染料。儿茶酚胺的引入不会对发色体的颜色产生明显的影响，而能够实现发色体在不同纤维织物上的着色，包括传统染料难以染色的纤维。.这些实验结果从一定程度上证实了所开发的染色过程的底物无依赖性，体现了对生物色素和贻贝万能粘性机制的仿生应用的阶段性成功。该项研究具有重要的科学意义和应用前景，值得进一步深入研究。