茎柔鱼角质颚力学性能梯度变化及其材料仿制

林静远， 刘必林,1b,1c,1d， 金 宵

（1. 上海海洋大学： a. 海洋科学学院；b. 国家远洋渔业工程技术研究中心；c. 大洋渔业资源可持续开发教育部重点实验室；d. 农业农村部大洋渔业开发重点实验室，上海201306；2. 华东理工大学材料科学与工程学院，上海 200237）

从海贝的韧性到蝗虫腿部的弹性，再到甲壳类牙齿的硬度，天然生物复合材料具有广泛的特殊力学性能[1-3]。所有这些天然的生物复合材料都是由嵌在蛋白质基质中几丁质纳米纤维制成。许多天然复合材料含有大量无机材料，并且有机成分与无机成分相结合形成了矿化的角质蛋白纤维层状结构，这种胶合的层状结构具有优异的断裂韧性以及硬度。角质颚是头足类重要的摄食器官，位于头足类的口球内，它由上颚和下颚两部分组成，具有形态结构稳定、不易腐蚀以及蕴含大量的生物与生态学信息等特征[4-7]。角质颚表面存在着色素沉积现象，其喙部接近黑色，而色素分布沿着侧壁向后缘逐渐变淡，并且从喙部到翼部其硬度也呈梯度变化。喙部具有高硬度，主要用于切碎食物，翼部与口球肌肉相连，其硬度较低，具有较高韧性[4]。这种特殊的渐变性质均来源于其化学成分的梯度变化[8]。角质颚主要由几丁质、水以及蛋白质组成，由多巴转变成的儿茶酚是决定色素沉积程度的关键物质，而多巴与蛋白质中组氨酸交联，交联后的物质是决定其硬度的关键。

天然生物材料大都具有微观复合、宏观完美的结构。在现代生活的各个领域，仿生学和仿生材料学都发挥着巨大的作用。目前有贝壳结构及其仿生材料[9-11]、蜘蛛丝仿生材料[12-13]和纳米仿生材料[14-16]等，都广泛用于工业、军事、医用等方面。角质颚具有一般有机材料所不具备的优异性能：一方面具备可同无机物组成的结构相媲美的硬度；另一方面它是一个完美的梯度材料。一般材料如果各部分组成不同，其内部就会有界面存在，从而在很大程度上会影响材料的力学性能，因此自然界中的梯度材料很少见，但角质颚的梯度性质不会受界面存在的影响。因此，通过化学方法来模拟角质颚的梯度成分从而制备出应用于医疗、工业等行业的极具应用价值的梯度材料。本文根据茎柔鱼角质颚组成成分，利用壳聚糖、多巴（L-dopa）、偏高碘酸钠（NaIO4）等多种化学物质制备了力学性能呈梯度变化的材料，实现了材料力学性能的连续转变，期待今后可用于医学、工业等方面。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验选择茎柔鱼（Dosidicus gigas）角质颚（其结构见图1）作为梯度模拟材料。实验所需的化学样品为超纯水、纯乙酸、L-dopa（纯度>98.5%）、壳聚糖（黏度10 MPa·s）、NaIO4粉末、NaOH 溶液（w＝5%），以上试剂均购于上海士峰生物科技有限公司。

图1 角质颚的结构Fig. 1 Beak structure

1.2 实验方法

为了模拟合成交联的壳聚糖，本文将壳聚糖与L-dopa 结合，使用NaIO4作为氧化剂，L-dopa 在NaIO4的作用下氧化成醌类物质，然后通过Michael加成反应或Schiff 碱反应，醌与壳聚糖中D-氨基葡萄糖单元中胺基以共价键形式结合。同时通过NaIO4氧化L-dopa，也会通过自聚合形成类似聚多巴胺状的化合物。与壳聚糖相比，L-dopa 是一种相对较小的分子，其扩散速度更快，因此L-dopa 自聚合与交联反应形成竞争。在自然界中，交联通常是酶催化的。为了优化壳聚糖的力学性能，本文制备了不同含量的L-dopa 和NaIO4壳聚糖进行进一步的分析。

角质颚色素沉积的模拟：在100 mL 锥形瓶内加入80 g 水和4.56 mL 乙酸溶液摇匀，然后加入0.1 gL-dopa以 及 相 对 分 子 量10000 的 壳 聚 糖 粉 末2 g，使Ldopa 与壳聚糖的质量比为5∶100，超声10 min，之后搅拌溶解5 h。将配制好的溶液各取5 mL 置于锥形瓶内，依次分别加入NaIO4粉末1.25、3.75、6.25、11.25、18.25、31.25 mg，NaIO4的 质 量 分 数 分 别 为1%、3%、5%、9%、15%、25%。氧化剂NaIO4加入的量越多，交联密度提高，最后形成的膜（交联壳聚糖）越硬，颜色越深，但过量的NaIO4会降低其硬度。然后将样品依次滴在厚度约为2 mm 的四氟乙烯模具上，静置48 h 后，取下在模具上形成的具有硬度梯度变化的薄膜，将此薄膜在0.05 g/mL NaOH 溶液中浸泡24 h，以中和交联壳聚糖中的质子化胺基，并防止交联壳聚糖在洗涤期间在水中溶解。用去离子水充分洗涤膜以除去残存的NaOH，并在室温下干燥过夜，最终的胶片厚度约为2 mm（图2）。

图2 角质颚梯度材料样条Fig. 2 Beak gradient material sample

使用UV-2550 分光光度计对不同浓度的样品溶液进行吸光度测试。

1.3 塑料-薄膜拉伸性能测试

使用2T/CMT 4202 型万能拉力机对样品进行弹性模量、断裂伸长率、拉伸强度测试，其中弹性模量指的是单向应力状态下应力除以该方向的应变，它是在整个拉伸过程中衡量物体抵抗弹性形变能力大小的尺寸。断裂伸长率是指试样在拉断时的位移与原长的比值（%），其代表韧性大小公式为

式中：Lb为试样拉断时的拉伸长度（mm）；L0为试样的初始标距（mm）。

拉伸强度是指材料产生最大均匀塑性变形的应力，断裂前承受最大的应力值，其代表强度大小，公式为

式中：Fb为试样拉断时所承受的最大力（N）；S0为试样原始横截面积（mm2）。

1.4 硬度测试

使用TH200 型邵氏D 硬度计对水合的茎柔鱼角质颚不同部位以及壳聚糖与NaIO4制备的仿生材料进行硬度测试。

2 实验结果

2.1 茎柔鱼角质颚的力学性能

2.1.1 强度与韧性 茎柔鱼角质颚塑料-薄膜的拉伸性能及不同部位的应力与应变曲线分别如表1、图3所示。角质颚喙部的弹性模量为3 448.02 MPa，拉伸强度为64.38 MPa，断裂伸长率为7.27%，角质颚侧壁的弹性模量为1 950.34 MPa，拉伸强度为49.60 MPa，断裂伸长率为9.98%，角质翼部弹性模量为790.74 MPa，拉伸强度为38.05 MPa，断裂伸长率为10.84%，茎柔鱼角质颚断裂伸长率大小顺序为：喙部<侧臂<翼部；角质颚拉伸强度由大到小顺序为：喙部>侧臂>翼部。

图3 茎柔鱼角质颚不同部位的应力与应变Fig. 3 Stress and strain of different parts of Dosidicus gigas’s beak

表1 茎柔鱼角质颚塑料-薄膜的拉伸性能Table 1 Plastic-film tensile properties of Dosidicus gigas’s beak

2.1.2 硬度 图4 示出了水合的角质颚不同部位的硬度。由图4 可见，水合的茎柔鱼角质颚喙部硬度为（96±0.96）HD ，侧壁硬度为（87±0.80）HD，翼部硬度为（72±1.01）HD。

图4 水合的角质颚不同部位硬度Fig. 4 Hardness of different parts of the hydrated Dosidicus gigas’s beak

2.2 角质颚仿生材料的化学性质

利用紫外-可见光分光光度计对不同质量分数NaIO4的溶液进行吸光度测试，结果如图5 所示。由图可见，随着NaIO4质量分数增大，吸光度先增加后减小。当NaIO4的质量分数为9%时，吸光度达到最高，也即交联密度达到最高。

图5 不同质量分数NaIO4 下溶液的吸光度Fig. 5 Absorbance of solution with different mass fractions of NaIO4

2.3 仿生梯度材料的力学性能

2.3.1 机械强度与韧性 将壳聚糖与NaIO4按不同质量比制作成膜，并且进行了拉伸性能测试，结果见表2、图6 和图7。测试结果表明，样品的弹性模量与拉伸强度随着NaIO4质量分数的增大先升高后降低(图7)；当NaIO4质量分数为9%时，样品的弹性模量与拉伸强度均达到最高值（分别为2 447.34 MPa与51.38 MPa）；断裂伸长率则随NaIO4质量分数的增大而逐渐减小。

图6 不同质量分数NaIO4 下材料拉伸强度与韧性的变化曲线Fig. 6 Variation curves of tensile strength and toughness at different mass fractions of NaIO4 and chitosan mass ratios

图7 不同质量分数NaIO4 下样条的弹性模量（a）、拉伸强度（b）与断裂伸长率（c）变化趋势Fig. 7 Elasticity modulus (a), tensile strength (b) and elongation at break (c) of different mass fractions of NaIO4

表2 塑料-薄膜拉伸性能实验Table 2 Plastic-film tensile properties test

2.3.2 硬度 将NaIO4与壳聚糖按不同质量比制作成膜，并且进行了硬度测试，结果如图8 所示。测试结果表明，当NaIO4的质量分数分别为1%，3%，5%，9%，15%，25%时，样条的硬度分别为（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。样条的硬度随着NaIO4质量分数的增大也呈现先增加后减小的趋势；当NaIO4质量分数为9%时，样条的硬度达到最大值。

图8 不同质量分数NaIO4 下材料的硬度Fig. 8 Hardness at different mass fractions of NaIO4

2.4 仿生材料与天然角质颚对比

图9 示出了茎柔鱼角质颚各部位与仿生材料力学性能对比。图9 表明，当NaIO4质量分数为3%、5%、9%时，仿生交联壳聚糖与天然角质颚翼部、侧壁以及喙部的硬度、机械强度以及韧性接近。

图9 茎柔鱼角质颚各部位与仿生材料力学性能对比Fig. 9 Comparison of mechanical properties of various parts of Dosidicus gigas’s beak with biomimetic materials

3 讨论与分析

在自然界中，绝大多数生物体的齿或喙的主要成分都含有无机矿物，例如，人类的牙齿和鸟喙的组成物质中70% 以上都为磷灰石[17]。由于这些矿物的存在，生物的齿和喙都具有极高的机械强度和硬度。然而，头足类角质颚作为一种完全由有机物构成的摄食器官，其喙部的硬度可以媲美其他生物体中由无机物构成的结构，且从喙部到翼部，其颜色深浅以及硬度都存在梯度变化。Miserez 等[18]发现，角质颚从翼部到喙部存在力学性能梯度变化，在含水状态下，其喙部机械强度极高，弹性模量可以达到5 GPa左右，而翼部弹性模量逐渐减低至约0.05 GPa。角质颚化学组成为蛋白质（组氨酸、多巴）、壳聚糖、儿茶酚类物质以及水，其中蛋白质含量最高，约占角质颚湿重的40%～45%，其主要组成氨基酸为甘氨酸、丙氨酸、组氨酸以及天冬氨酸。其中，组氨酸部分采取β折叠构象，可聚集成凝聚体，且组氨酸可通过儿茶酚交联[19]。近期关于角质颚化学成分和物理性能的分析都表明，交联后的含有组氨酸的蛋白质是决定角质颚硬度的主要成分，其存在使得角质颚具有极高的硬度和耐磨性能。此外，蛋白质中偶尔含有个别基团（通常为苯环上的羟基）可与壳聚糖发生化学键接，使蛋白质与壳聚糖发生桥联。这种桥联可能导致壳聚糖脱水化，进一步提高角质颚的机械强度。

本文对天然角质颚在含水状态下进行了弹性模量的测定，喙部弹性模量为3 448.02 MPa，翼部弹性模量为790.74 MPa，喙部与翼部机械强度差异显著，证明了从喙部到翼部硬度呈急速下降趋势。由于冷冻干燥的茎柔鱼角质颚从喙部到翼部机械强度差异不显著，因此受含水的角质颚硬度从喙部到翼部存在巨大梯度变化的启发，本文用有机材料与无机盐制备具有力学性能梯度变化的材料，在制作梯度材料的过程中，刚开始使用的是相对分子量10000 的壳聚糖与多巴交联，结果发现得到的溶液太稀无法成膜，之后改用相对分子量100000的壳聚糖与多巴进行交联，经过多次尝试选定多巴与壳聚糖质量比为9%时为最佳交联状态。该实验中，最重要的机理即多巴的交联作用，其具体化学反应机理仍不确定。多巴的交联需要将其先氧化，因此之后加入NaIO4的目的是用氧化来提高交联壳聚糖的交联密度，NaIO4越多，多巴氧化越快，氧化后的多巴与NH2反应，则可以交联越多的组氨酸的壳聚糖，但过多的氧化剂反而会降低最终样条的硬度。利用紫外-可见光分光光度计对NaIO4与壳聚糖的质量比不同的溶液进行吸光度测试，发现吸光度大小随NaIO4与壳聚糖质量比变化先增加后减小，交联密度先增大后减小。为了找到最接近天然有机角质颚硬度以及力学性能梯度变化的材料，本文改变了NaIO4与壳聚糖的质量比，当NaIO4质量分数从1%增长至9%时，样条的硬度、弹性模量以及拉伸强度也逐渐增长，韧性逐渐减小；当NaIO4质量分数在9%时，样条硬度为（94 ± 0.74）HD，弹性模量达到最高值2447.34 MPa，拉伸强度也达到最高值51.38 MPa，断裂伸长率为6.88%；当NaIO4质量分数从9%增长至25%时，样条的弹性模量以及拉伸强度却逐渐减小，韧性也逐渐减小。说明NaIO4越多，多巴氧化越快，氧化后的多巴与NH2反应，交联越多的壳聚糖，但过多的氧化剂NaIO4反而会降低交联程度，使得弹性模量和拉伸强度先增加后降低。

本文将天然有机物角质颚与仿生交联壳聚糖对比，结果表明当NaIO4质量分数为3%、5%、9%时，仿生交联壳聚糖与天然角质颚翼部、侧壁以及喙部的硬度、机械强度、韧性非常接近。受角质颚力学性能梯度变化启发，认为梯度材料的意义在于它没有界面但材料性质存在空间上的变化，这种特点在工业上可能存在一些应用，例如，在工业生产过程中，一般情况下我们想获得一个部件，如果头部和尾部有不一样的力学性能，我们就会用黏结或者机械嵌合的方法把两种材料接起来，但是往往就存在界面，影响部件整体性能，如果有梯度材料就可以去除界面，解决这个问题，本文制作的梯度材料会有很好的应用前景。