莖柔魚角質顎力學性能梯度變化及其材料仿制

林靜遠， 劉必林,1b,1c,1d， 金 宵

（1. 上海海洋大學： a. 海洋科學學院；b. 國家遠洋漁業工程技術研究中心；c. 大洋漁業資源可持續開發教育部重點實驗室；d. 農業農村部大洋漁業開發重點實驗室，上海201306；2. 華東理工大學材料科學與工程學院，上海 200237）

從海貝的韌性到蝗蟲腿部的彈性，再到甲殼類牙齒的硬度，天然生物復合材料具有廣泛的特殊力學性能[1-3]。所有這些天然的生物復合材料都是由嵌在蛋白質基質中幾丁質納米纖維制成。許多天然復合材料含有大量無機材料，并且有機成分與無機成分相結合形成了礦化的角質蛋白纖維層狀結構，這種膠合的層狀結構具有優異的斷裂韌性以及硬度。角質顎是頭足類重要的攝食器官，位于頭足類的口球內，它由上顎和下顎兩部分組成，具有形態結構穩定、不易腐蝕以及蘊含大量的生物與生態學信息等特征[4-7]。角質顎表面存在著色素沉積現象，其喙部接近黑色，而色素分布沿著側壁向后緣逐漸變淡，并且從喙部到翼部其硬度也呈梯度變化。喙部具有高硬度，主要用于切碎食物，翼部與口球肌肉相連，其硬度較低，具有較高韌性[4]。這種特殊的漸變性質均來源于其化學成分的梯度變化[8]。角質顎主要由幾丁質、水以及蛋白質組成，由多巴轉變成的兒茶酚是決定色素沉積程度的關鍵物質，而多巴與蛋白質中組氨酸交聯，交聯后的物質是決定其硬度的關鍵。

天然生物材料大都具有微觀復合、宏觀完美的結構。在現代生活的各個領域，仿生學和仿生材料學都發揮著巨大的作用。目前有貝殼結構及其仿生材料[9-11]、蜘蛛絲仿生材料[12-13]和納米仿生材料[14-16]等，都廣泛用于工業、軍事、醫用等方面。角質顎具有一般有機材料所不具備的優異性能：一方面具備可同無機物組成的結構相媲美的硬度；另一方面它是一個完美的梯度材料。一般材料如果各部分組成不同，其內部就會有界面存在，從而在很大程度上會影響材料的力學性能，因此自然界中的梯度材料很少見，但角質顎的梯度性質不會受界面存在的影響。因此，通過化學方法來模擬角質顎的梯度成分從而制備出應用于醫療、工業等行業的極具應用價值的梯度材料。本文根據莖柔魚角質顎組成成分，利用殼聚糖、多巴（L-dopa）、偏高碘酸鈉（NaIO4）等多種化學物質制備了力學性能呈梯度變化的材料，實現了材料力學性能的連續轉變，期待今后可用于醫學、工業等方面。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗選擇莖柔魚（Dosidicus gigas）角質顎（其結構見圖1）作為梯度模擬材料。實驗所需的化學樣品為超純水、純乙酸、L-dopa（純度>98.5%）、殼聚糖（黏度10 MPa·s）、NaIO4粉末、NaOH 溶液（w＝5%），以上試劑均購于上海士峰生物科技有限公司。

圖1 角質顎的結構Fig. 1 Beak structure

1.2 實驗方法

為了模擬合成交聯的殼聚糖，本文將殼聚糖與L-dopa 結合，使用NaIO4作為氧化劑，L-dopa 在NaIO4的作用下氧化成醌類物質，然后通過Michael加成反應或Schiff 堿反應，醌與殼聚糖中D-氨基葡萄糖單元中胺基以共價鍵形式結合。同時通過NaIO4氧化L-dopa，也會通過自聚合形成類似聚多巴胺狀的化合物。與殼聚糖相比，L-dopa 是一種相對較小的分子，其擴散速度更快，因此L-dopa 自聚合與交聯反應形成競爭。在自然界中，交聯通常是酶催化的。為了優化殼聚糖的力學性能，本文制備了不同含量的L-dopa 和NaIO4殼聚糖進行進一步的分析。

角質顎色素沉積的模擬：在100 mL 錐形瓶內加入80 g 水和4.56 mL 乙酸溶液搖勻，然后加入0.1 gL-dopa以 及 相 對 分 子 量10000 的 殼 聚 糖 粉 末2 g，使Ldopa 與殼聚糖的質量比為5∶100，超聲10 min，之后攪拌溶解5 h。將配制好的溶液各取5 mL 置于錐形瓶內，依次分別加入NaIO4粉末1.25、3.75、6.25、11.25、18.25、31.25 mg，NaIO4的 質 量 分 數 分 別 為1%、3%、5%、9%、15%、25%。氧化劑NaIO4加入的量越多，交聯密度提高，最后形成的膜（交聯殼聚糖）越硬，顏色越深，但過量的NaIO4會降低其硬度。然后將樣品依次滴在厚度約為2 mm 的四氟乙烯模具上，靜置48 h 后，取下在模具上形成的具有硬度梯度變化的薄膜，將此薄膜在0.05 g/mL NaOH 溶液中浸泡24 h，以中和交聯殼聚糖中的質子化胺基，并防止交聯殼聚糖在洗滌期間在水中溶解。用去離子水充分洗滌膜以除去殘存的NaOH，并在室溫下干燥過夜，最終的膠片厚度約為2 mm（圖2）。

圖2 角質顎梯度材料樣條Fig. 2 Beak gradient material sample

使用UV-2550 分光光度計對不同濃度的樣品溶液進行吸光度測試。

1.3 塑料-薄膜拉伸性能測試

使用2T/CMT 4202 型萬能拉力機對樣品進行彈性模量、斷裂伸長率、拉伸強度測試，其中彈性模量指的是單向應力狀態下應力除以該方向的應變，它是在整個拉伸過程中衡量物體抵抗彈性形變能力大小的尺寸。斷裂伸長率是指試樣在拉斷時的位移與原長的比值（%），其代表韌性大小公式為

式中：Lb為試樣拉斷時的拉伸長度（mm）；L0為試樣的初始標距（mm）。

拉伸強度是指材料產生最大均勻塑性變形的應力，斷裂前承受最大的應力值，其代表強度大小，公式為

式中：Fb為試樣拉斷時所承受的最大力（N）；S0為試樣原始橫截面積（mm2）。

1.4 硬度測試

使用TH200 型邵氏D 硬度計對水合的莖柔魚角質顎不同部位以及殼聚糖與NaIO4制備的仿生材料進行硬度測試。

2 實驗結果

2.1 莖柔魚角質顎的力學性能

2.1.1 強度與韌性 莖柔魚角質顎塑料-薄膜的拉伸性能及不同部位的應力與應變曲線分別如表1、圖3所示。角質顎喙部的彈性模量為3 448.02 MPa，拉伸強度為64.38 MPa，斷裂伸長率為7.27%，角質顎側壁的彈性模量為1 950.34 MPa，拉伸強度為49.60 MPa，斷裂伸長率為9.98%，角質翼部彈性模量為790.74 MPa，拉伸強度為38.05 MPa，斷裂伸長率為10.84%，莖柔魚角質顎斷裂伸長率大小順序為：喙部<側臂<翼部；角質顎拉伸強度由大到小順序為：喙部>側臂>翼部。

圖3 莖柔魚角質顎不同部位的應力與應變Fig. 3 Stress and strain of different parts of Dosidicus gigas’s beak

表1 莖柔魚角質顎塑料-薄膜的拉伸性能Table 1 Plastic-film tensile properties of Dosidicus gigas’s beak

2.1.2 硬度 圖4 示出了水合的角質顎不同部位的硬度。由圖4 可見，水合的莖柔魚角質顎喙部硬度為（96±0.96）HD ，側壁硬度為（87±0.80）HD，翼部硬度為（72±1.01）HD。

圖4 水合的角質顎不同部位硬度Fig. 4 Hardness of different parts of the hydrated Dosidicus gigas’s beak

2.2 角質顎仿生材料的化學性質

利用紫外-可見光分光光度計對不同質量分數NaIO4的溶液進行吸光度測試，結果如圖5 所示。由圖可見，隨著NaIO4質量分數增大，吸光度先增加后減小。當NaIO4的質量分數為9%時，吸光度達到最高，也即交聯密度達到最高。

圖5 不同質量分數NaIO4 下溶液的吸光度Fig. 5 Absorbance of solution with different mass fractions of NaIO4

2.3 仿生梯度材料的力學性能

2.3.1 機械強度與韌性 將殼聚糖與NaIO4按不同質量比制作成膜，并且進行了拉伸性能測試，結果見表2、圖6 和圖7。測試結果表明，樣品的彈性模量與拉伸強度隨著NaIO4質量分數的增大先升高后降低(圖7)；當NaIO4質量分數為9%時，樣品的彈性模量與拉伸強度均達到最高值（分別為2 447.34 MPa與51.38 MPa）；斷裂伸長率則隨NaIO4質量分數的增大而逐漸減小。

圖6 不同質量分數NaIO4 下材料拉伸強度與韌性的變化曲線Fig. 6 Variation curves of tensile strength and toughness at different mass fractions of NaIO4 and chitosan mass ratios

圖7 不同質量分數NaIO4 下樣條的彈性模量（a）、拉伸強度（b）與斷裂伸長率（c）變化趨勢Fig. 7 Elasticity modulus (a), tensile strength (b) and elongation at break (c) of different mass fractions of NaIO4

表2 塑料-薄膜拉伸性能實驗Table 2 Plastic-film tensile properties test

2.3.2 硬度 將NaIO4與殼聚糖按不同質量比制作成膜，并且進行了硬度測試，結果如圖8 所示。測試結果表明，當NaIO4的質量分數分別為1%，3%，5%，9%，15%，25%時，樣條的硬度分別為（66.00±1.13），（70.00±1.15），（86.00±0.86），（94.00±0.74），（82.00±0.99），（68.00±0.90）HD。樣條的硬度隨著NaIO4質量分數的增大也呈現先增加后減小的趨勢；當NaIO4質量分數為9%時，樣條的硬度達到最大值。

圖8 不同質量分數NaIO4 下材料的硬度Fig. 8 Hardness at different mass fractions of NaIO4

2.4 仿生材料與天然角質顎對比

圖9 示出了莖柔魚角質顎各部位與仿生材料力學性能對比。圖9 表明，當NaIO4質量分數為3%、5%、9%時，仿生交聯殼聚糖與天然角質顎翼部、側壁以及喙部的硬度、機械強度以及韌性接近。

圖9 莖柔魚角質顎各部位與仿生材料力學性能對比Fig. 9 Comparison of mechanical properties of various parts of Dosidicus gigas’s beak with biomimetic materials

3 討論與分析

在自然界中，絕大多數生物體的齒或喙的主要成分都含有無機礦物，例如，人類的牙齒和鳥喙的組成物質中70% 以上都為磷灰石[17]。由于這些礦物的存在，生物的齒和喙都具有極高的機械強度和硬度。然而，頭足類角質顎作為一種完全由有機物構成的攝食器官，其喙部的硬度可以媲美其他生物體中由無機物構成的結構，且從喙部到翼部，其顏色深淺以及硬度都存在梯度變化。Miserez 等[18]發現，角質顎從翼部到喙部存在力學性能梯度變化，在含水狀態下，其喙部機械強度極高，彈性模量可以達到5 GPa左右，而翼部彈性模量逐漸減低至約0.05 GPa。角質顎化學組成為蛋白質（組氨酸、多巴）、殼聚糖、兒茶酚類物質以及水，其中蛋白質含量最高，約占角質顎濕重的40%～45%，其主要組成氨基酸為甘氨酸、丙氨酸、組氨酸以及天冬氨酸。其中，組氨酸部分采取β折疊構象，可聚集成凝聚體，且組氨酸可通過兒茶酚交聯[19]。近期關于角質顎化學成分和物理性能的分析都表明，交聯后的含有組氨酸的蛋白質是決定角質顎硬度的主要成分，其存在使得角質顎具有極高的硬度和耐磨性能。此外，蛋白質中偶爾含有個別基團（通常為苯環上的羥基）可與殼聚糖發生化學鍵接，使蛋白質與殼聚糖發生橋聯。這種橋聯可能導致殼聚糖脫水化，進一步提高角質顎的機械強度。

本文對天然角質顎在含水狀態下進行了彈性模量的測定，喙部彈性模量為3 448.02 MPa，翼部彈性模量為790.74 MPa，喙部與翼部機械強度差異顯著，證明了從喙部到翼部硬度呈急速下降趨勢。由于冷凍干燥的莖柔魚角質顎從喙部到翼部機械強度差異不顯著，因此受含水的角質顎硬度從喙部到翼部存在巨大梯度變化的啟發，本文用有機材料與無機鹽制備具有力學性能梯度變化的材料，在制作梯度材料的過程中，剛開始使用的是相對分子量10000 的殼聚糖與多巴交聯，結果發現得到的溶液太稀無法成膜，之后改用相對分子量100000的殼聚糖與多巴進行交聯，經過多次嘗試選定多巴與殼聚糖質量比為9%時為最佳交聯狀態。該實驗中，最重要的機理即多巴的交聯作用，其具體化學反應機理仍不確定。多巴的交聯需要將其先氧化，因此之后加入NaIO4的目的是用氧化來提高交聯殼聚糖的交聯密度，NaIO4越多，多巴氧化越快，氧化后的多巴與NH2反應，則可以交聯越多的組氨酸的殼聚糖，但過多的氧化劑反而會降低最終樣條的硬度。利用紫外-可見光分光光度計對NaIO4與殼聚糖的質量比不同的溶液進行吸光度測試，發現吸光度大小隨NaIO4與殼聚糖質量比變化先增加后減小，交聯密度先增大后減小。為了找到最接近天然有機角質顎硬度以及力學性能梯度變化的材料，本文改變了NaIO4與殼聚糖的質量比，當NaIO4質量分數從1%增長至9%時，樣條的硬度、彈性模量以及拉伸強度也逐漸增長，韌性逐漸減小；當NaIO4質量分數在9%時，樣條硬度為（94 ± 0.74）HD，彈性模量達到最高值2447.34 MPa，拉伸強度也達到最高值51.38 MPa，斷裂伸長率為6.88%；當NaIO4質量分數從9%增長至25%時，樣條的彈性模量以及拉伸強度卻逐漸減小，韌性也逐漸減小。說明NaIO4越多，多巴氧化越快，氧化后的多巴與NH2反應，交聯越多的殼聚糖，但過多的氧化劑NaIO4反而會降低交聯程度，使得彈性模量和拉伸強度先增加后降低。

本文將天然有機物角質顎與仿生交聯殼聚糖對比，結果表明當NaIO4質量分數為3%、5%、9%時，仿生交聯殼聚糖與天然角質顎翼部、側壁以及喙部的硬度、機械強度、韌性非常接近。受角質顎力學性能梯度變化啟發，認為梯度材料的意義在于它沒有界面但材料性質存在空間上的變化，這種特點在工業上可能存在一些應用，例如，在工業生產過程中，一般情況下我們想獲得一個部件，如果頭部和尾部有不一樣的力學性能，我們就會用黏結或者機械嵌合的方法把兩種材料接起來，但是往往就存在界面，影響部件整體性能，如果有梯度材料就可以去除界面，解決這個問題，本文制作的梯度材料會有很好的應用前景。