新的原子力显微镜图像和电子显微镜的测量结果显示,蛋壳的纳米结构在孵化过程中发生了变化,从非常坚硬和强壮到在小鸡孵出之前变得更弱。外壳的强度似乎是由与骨桥蛋白相关的纳米结构矿物质的存在决定的。骨桥蛋白是一种蛋壳蛋白,也存在于骨骼等复合生物材料中。这一发现可以帮助鸡繁殖计划选择更多的抗裂卵,不太可能被病原体感染,以及在设计和开发新型生物激发的纳米复合材料。
“多亏了数亿年的进化,纳米结构已经发展为像鸟类蛋壳这样看似脆弱的东西提供了最理想的材料特性,”加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的马克·麦基解释道,他领导了这项研究。“蛋壳的,这是由薄的矿化碳酸钙(方解石)层,非常强壮,和够蛋孵化期间为其防护功能,但它由内而外稀释在某个时间点上更容易让小鸡孵化和皮普从它的壳。
作为一种生物纳米复合材料,蛋白质基质和矿物质之间的相互作用,使得从恐龙时代起就一直存在的壳结构具有独特和理想的特性。我们可以在实验室中使用一种叫做骨蛋白的单一蛋白质在方解石矿物中重建这种纳米结构。
骨桥蛋白的作用
家鸡的蛋壳(Gallus Gallus)约有95%重的碳酸钙矿物,约3.5%重的有机材料/基质(包括水)。蛋壳基质中有数百种蛋白质,但主要是骨蛋白(OPN)。OPN属于矿物结合蛋白家族,由于其具有特别高的负电荷和开放的柔性结构,它被认为负责控制壳层的矿化过程。
McKee和他的同事们第一次分析了蛋壳的三层结构,以便更好地了解它们的纳米结构和力学性能,以及它们是如何随着时间演变的。这些层是:垂直的晶体层(VCL)、palisades层(PL)和mammillary层(ML)。他们发现,OPN的数量在整个层中变化,在VCL和PL层中是最丰富的。McKee说:“一般来说,较小的纳米结构与坚硬的外壳相关。
成像蛋壳的内政
他说:“在许多方法中,我们用聚焦离子束切割了非常薄的蛋壳层,这样我们就可以用电子显微镜在纳米尺度上成像它的内部。”“我们还使用原子力和扫描电子显微镜来检查切割和破裂的蛋壳,以获得裂缝表面的地形信息。”
为了查明OPN是否能够诱导合成碳酸钙的纳米结构变化,研究人员随后在不同浓度的OPN中生长方解石晶体,并利用AFM和高分辨率透射电镜检查其内部结构。他们还测量了纳米压痕实验中这些纳米结构层的硬度和弹性模量,发现更高浓度的OPN会导致更小的纳米结构尺寸,从而比低的OPN浓度更大。
——文章发布于2018年4月6日