合浦珠母贝足丝中金属介导的纳米孔洞的微观结构

【作者】 刘闯； 李世国； 黄敬亮； 刘阳嘉； 张荣庆；

【机构】 清华大学生命科学学院；

【摘要】 除了生物大分子的序列和三维结构,生物材料的微观结构,几何排列和纳米界面对于其多功能性和优异性能也有着同样重要的作用。因此,研究和发现自然界中材料的微观结构是仿生的关键步骤。贝类的足丝不仅对贝类的发育、防御起着重要作用,研究其足丝也可以对海水中仿生粘合起到启发,同时,也可以为研究贝类响应全球海洋气候变化的机制提供基础。本研究利用冷冻切片,扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X-射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子体质谱(ICP)等材料学技术研究了海水珍珠贝类重要的品种,合浦珠母贝(Pinctada fucata)足丝的微观结构。我们发现,其足丝有两层不同的蛋白纤维构成——致密的角质层和较为疏松的核心层,在核心层和角质层的蛋白纤维之间中均存在不规则的纳米孔洞,角质层纳米孔洞的面积为0.01~0.48μm2,核心层的为1.5×10-4~0.0024μm2。同时,这种纳米孔洞是由金属离子如Ca2+,Al3+,Fe3+和非金属Si4+与蛋白分子之间的相互作用形成。利用EDTA除去这些离子可以扩大这些孔洞的面积。与贻贝相比,合浦珠母贝的角质层并无500nm左右的纳米球。这暗示着合浦珠母贝足丝的特殊结构可能具有与之不同的抗拉伸机制。此外,其足丝中还含有大量的多巴(dopa)和微量的S,Cl,Na,Zn元素,可能对足丝的黏附和拉伸性能起到一定的作用。综上,我们的研究揭示了贝类足丝中一种独特的微观结构,让我们认识到自然界解决问题的多样性策略,为人工纤维材料的合成提供启发,同时也有助于我们理解贝类足丝对于外界环境的响应。更多还原