莖柔魚(yú)角質(zhì)顎力學(xué)性能梯度變化及其材料仿制

林靜遠(yuǎn)， 劉必林,1b,1c,1d， 金 宵

（1. 上海海洋大學(xué)： a. 海洋科學(xué)學(xué)院；b. 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心；c. 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；d. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201306；2. 華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

從海貝的韌性到蝗蟲(chóng)腿部的彈性，再到甲殼類(lèi)牙齒的硬度，天然生物復(fù)合材料具有廣泛的特殊力學(xué)性能[1-3]。所有這些天然的生物復(fù)合材料都是由嵌在蛋白質(zhì)基質(zhì)中幾丁質(zhì)納米纖維制成。許多天然復(fù)合材料含有大量無(wú)機(jī)材料，并且有機(jī)成分與無(wú)機(jī)成分相結(jié)合形成了礦化的角質(zhì)蛋白纖維層狀結(jié)構(gòu)，這種膠合的層狀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的斷裂韌性以及硬度。角質(zhì)顎是頭足類(lèi)重要的攝食器官，位于頭足類(lèi)的口球內(nèi)，它由上顎和下顎兩部分組成，具有形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易腐蝕以及蘊(yùn)含大量的生物與生態(tài)學(xué)信息等特征[4-7]。角質(zhì)顎表面存在著色素沉積現(xiàn)象，其喙部接近黑色，而色素分布沿著側(cè)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(zhì)均來(lái)源于其化學(xué)成分的梯度變化[8]。角質(zhì)顎主要由幾丁質(zhì)、水以及蛋白質(zhì)組成，由多巴轉(zhuǎn)變成的兒茶酚是決定色素沉積程度的關(guān)鍵物質(zhì)，而多巴與蛋白質(zhì)中組氨酸交聯(lián)，交聯(lián)后的物質(zhì)是決定其硬度的關(guān)鍵。

天然生物材料大都具有微觀(guān)復(fù)合、宏觀(guān)完美的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域，仿生學(xué)和仿生材料學(xué)都發(fā)揮著巨大的作用。目前有貝殼結(jié)構(gòu)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(yè)、軍事、醫(yī)用等方面。角質(zhì)顎具有一般有機(jī)材料所不具備的優(yōu)異性能：一方面具備可同無(wú)機(jī)物組成的結(jié)構(gòu)相媲美的硬度；另一方面它是一個(gè)完美的梯度材料。一般材料如果各部分組成不同，其內(nèi)部就會(huì)有界面存在，從而在很大程度上會(huì)影響材料的力學(xué)性能，因此自然界中的梯度材料很少見(jiàn)，但角質(zhì)顎的梯度性質(zhì)不會(huì)受界面存在的影響。因此，通過(guò)化學(xué)方法來(lái)模擬角質(zhì)顎的梯度成分從而制備出應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)等行業(yè)的極具應(yīng)用價(jià)值的梯度材料。本文根據(jù)莖柔魚(yú)角質(zhì)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(xué)物質(zhì)制備了力學(xué)性能呈梯度變化的材料，實(shí)現(xiàn)了材料力學(xué)性能的連續(xù)轉(zhuǎn)變，期待今后可用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)等方面。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選擇莖柔魚(yú)（Dosidicus gigas）角質(zhì)顎（其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）作為梯度模擬材料。實(shí)驗(yàn)所需的化學(xué)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(gòu)于上海士峰生物科技有限公司。

圖1 角質(zhì)顎的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Beak structure

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了模擬合成交聯(lián)的殼聚糖，本文將殼聚糖與L-dopa 結(jié)合，使用NaIO4作為氧化劑，L-dopa 在NaIO4的作用下氧化成醌類(lèi)物質(zhì)，然后通過(guò)Michael加成反應(yīng)或Schiff 堿反應(yīng)，醌與殼聚糖中D-氨基葡萄糖單元中胺基以共價(jià)鍵形式結(jié)合。同時(shí)通過(guò)NaIO4氧化L-dopa，也會(huì)通過(guò)自聚合形成類(lèi)似聚多巴胺狀的化合物。與殼聚糖相比，L-dopa 是一種相對(duì)較小的分子，其擴(kuò)散速度更快，因此L-dopa 自聚合與交聯(lián)反應(yīng)形成競(jìng)爭(zhēng)。在自然界中，交聯(lián)通常是酶催化的。為了優(yōu)化殼聚糖的力學(xué)性能，本文制備了不同含量的L-dopa 和NaIO4殼聚糖進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

角質(zhì)顎色素沉積的模擬：在100 mL 錐形瓶?jī)?nèi)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(duì) 分 子 量10000 的 殼 聚 糖 粉 末2 g，使Ldopa 與殼聚糖的質(zhì)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?jī)?nèi)，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(zhì) 量 分 數(shù) 分 別 為1%、3%、5%、9%、15%、25%。氧化劑NaIO4加入的量越多，交聯(lián)密度提高，最后形成的膜（交聯(lián)殼聚糖）越硬，顏色越深，但過(guò)量的NaIO4會(huì)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(lián)殼聚糖中的質(zhì)子化胺基，并防止交聯(lián)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(guò)夜，最終的膠片厚度約為2 mm（圖2）。

圖2 角質(zhì)顎梯度材料樣條Fig. 2 Beak gradient material sample

使用UV-2550 分光光度計(jì)對(duì)不同濃度的樣品溶液進(jìn)行吸光度測(cè)試。

1.3 塑料-薄膜拉伸性能測(cè)試

使用2T/CMT 4202 型萬(wàn)能拉力機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度測(cè)試，其中彈性模量指的是單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力除以該方向的應(yīng)變，它是在整個(gè)拉伸過(guò)程中衡量物體抵抗彈性形變能力大小的尺寸。斷裂伸長(zhǎng)率是指試樣在拉斷時(shí)的位移與原長(zhǎng)的比值（%），其代表韌性大小公式為

式中：Lb為試樣拉斷時(shí)的拉伸長(zhǎng)度（mm）；L0為試樣的初始標(biāo)距（mm）。

拉伸強(qiáng)度是指材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應(yīng)力，斷裂前承受最大的應(yīng)力值，其代表強(qiáng)度大小，公式為

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

1.4 硬度測(cè)試

使用TH200 型邵氏D 硬度計(jì)對(duì)水合的莖柔魚(yú)角質(zhì)顎不同部位以及殼聚糖與NaIO4制備的仿生材料進(jìn)行硬度測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 莖柔魚(yú)角質(zhì)顎的力學(xué)性能

2.1.1 強(qiáng)度與韌性 莖柔魚(yú)角質(zhì)顎塑料-薄膜的拉伸性能及不同部位的應(yīng)力與應(yīng)變曲線(xiàn)分別如表1、圖3所示。角質(zhì)顎喙部的彈性模量為3 448.02 MPa，拉伸強(qiáng)度為64.38 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為7.27%，角質(zhì)顎側(cè)壁的彈性模量為1 950.34 MPa，拉伸強(qiáng)度為49.60 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為9.98%，角質(zhì)翼部彈性模量為790.74 MPa，拉伸強(qiáng)度為38.05 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為10.84%，莖柔魚(yú)角質(zhì)顎斷裂伸長(zhǎng)率大小順序?yàn)椋亨共?側(cè)臂<翼部；角質(zhì)顎拉伸強(qiáng)度由大到小順序?yàn)椋亨共?側(cè)臂>翼部。

圖3 莖柔魚(yú)角質(zhì)顎不同部位的應(yīng)力與應(yīng)變Fig. 3 Stress and strain of different parts of Dosidicus gigas’s beak

表1 莖柔魚(yú)角質(zhì)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(zhì)顎不同部位的硬度。由圖4 可見(jiàn)，水合的莖柔魚(yú)角質(zhì)顎喙部硬度為（96±0.96）HD ，側(cè)壁硬度為（87±0.80）HD，翼部硬度為（72±1.01）HD。

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

2.2 角質(zhì)顎仿生材料的化學(xué)性質(zhì)

利用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaIO4的溶液進(jìn)行吸光度測(cè)試，結(jié)果如圖5 所示。由圖可見(jiàn)，隨著NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，吸光度先增加后減小。當(dāng)NaIO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，吸光度達(dá)到最高，也即交聯(lián)密度達(dá)到最高。

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xué)性能

2.3.1 機(jī)械強(qiáng)度與韌性 將殼聚糖與NaIO4按不同質(zhì)量比制作成膜，并且進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2、圖6 和圖7。測(cè)試結(jié)果表明，樣品的彈性模量與拉伸強(qiáng)度隨著NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大先升高后降低(圖7)；當(dāng)NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，樣品的彈性模量與拉伸強(qiáng)度均達(dá)到最高值（分別為2 447.34 MPa與51.38 MPa）；斷裂伸長(zhǎng)率則隨NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸減小。

圖6 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaIO4 下材料拉伸強(qiáng)度與韌性的變化曲線(xiàn)Fig. 6 Variation curves of tensile strength and toughness at different mass fractions of NaIO4 and chitosan mass ratios

圖7 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaIO4 下樣條的彈性模量（a）、拉伸強(qiáng)度（b）與斷裂伸長(zhǎng)率（c）變化趨勢(shì)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(shí)驗(yàn)Table 2 Plastic-film tensile properties test

2.3.2 硬度 將NaIO4與殼聚糖按不同質(zhì)量比制作成膜，并且進(jìn)行了硬度測(cè)試，結(jié)果如圖8 所示。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)NaIO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，3%，5%，9%，15%，25%時(shí)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大也呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)；當(dāng)NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí)，樣條的硬度達(dá)到最大值。

圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)顎對(duì)比

圖9 示出了莖柔魚(yú)角質(zhì)顎各部位與仿生材料力學(xué)性能對(duì)比。圖9 表明，當(dāng)NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、9%時(shí)，仿生交聯(lián)殼聚糖與天然角質(zhì)顎翼部、側(cè)壁以及喙部的硬度、機(jī)械強(qiáng)度以及韌性接近。

圖9 莖柔魚(yú)角質(zhì)顎各部位與仿生材料力學(xué)性能對(duì)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(shù)生物體的齒或喙的主要成分都含有無(wú)機(jī)礦物，例如，人類(lèi)的牙齒和鳥(niǎo)喙的組成物質(zhì)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(jī)械強(qiáng)度和硬度。然而，頭足類(lèi)角質(zhì)顎作為一種完全由有機(jī)物構(gòu)成的攝食器官，其喙部的硬度可以媲美其他生物體中由無(wú)機(jī)物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，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(fā)現(xiàn)，角質(zhì)顎從翼部到喙部存在力學(xué)性能梯度變化，在含水狀態(tài)下，其喙部機(jī)械強(qiáng)度極高，彈性模量可以達(dá)到5 GPa左右，而翼部彈性模量逐漸減低至約0.05 GPa。角質(zhì)顎化學(xué)組成為蛋白質(zhì)（組氨酸、多巴）、殼聚糖、兒茶酚類(lèi)物質(zhì)以及水，其中蛋白質(zhì)含量最高，約占角質(zhì)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(gòu)象，可聚集成凝聚體，且組氨酸可通過(guò)兒茶酚交聯(lián)[19]。近期關(guān)于角質(zhì)顎化學(xué)成分和物理性能的分析都表明，交聯(lián)后的含有組氨酸的蛋白質(zhì)是決定角質(zhì)顎硬度的主要成分，其存在使得角質(zhì)顎具有極高的硬度和耐磨性能。此外，蛋白質(zhì)中偶爾含有個(gè)別基團(tuán)（通常為苯環(huán)上的羥基）可與殼聚糖發(fā)生化學(xué)鍵接，使蛋白質(zhì)與殼聚糖發(fā)生橋聯(lián)。這種橋聯(lián)可能導(dǎo)致殼聚糖脫水化，進(jìn)一步提高角質(zhì)顎的機(jī)械強(qiáng)度。

本文對(duì)天然角質(zhì)顎在含水狀態(tài)下進(jìn)行了彈性模量的測(cè)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(jī)械強(qiáng)度差異顯著，證明了從喙部到翼部硬度呈急速下降趨勢(shì)。由于冷凍干燥的莖柔魚(yú)角質(zhì)顎從喙部到翼部機(jī)械強(qiáng)度差異不顯著，因此受含水的角質(zhì)顎硬度從喙部到翼部存在巨大梯度變化的啟發(fā)，本文用有機(jī)材料與無(wú)機(jī)鹽制備具有力學(xué)性能梯度變化的材料，在制作梯度材料的過(guò)程中，剛開(kāi)始使用的是相對(duì)分子量10000 的殼聚糖與多巴交聯(lián)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)得到的溶液太稀無(wú)法成膜，之后改用相對(duì)分子量100000的殼聚糖與多巴進(jìn)行交聯(lián)，經(jīng)過(guò)多次嘗試選定多巴與殼聚糖質(zhì)量比為9%時(shí)為最佳交聯(lián)狀態(tài)。該實(shí)驗(yàn)中，最重要的機(jī)理即多巴的交聯(lián)作用，其具體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理仍不確定。多巴的交聯(lián)需要將其先氧化，因此之后加入NaIO4的目的是用氧化來(lái)提高交聯(lián)殼聚糖的交聯(lián)密度，NaIO4越多，多巴氧化越快，氧化后的多巴與NH2反應(yīng)，則可以交聯(lián)越多的組氨酸的殼聚糖，但過(guò)多的氧化劑反而會(huì)降低最終樣條的硬度。利用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)對(duì)NaIO4與殼聚糖的質(zhì)量比不同的溶液進(jìn)行吸光度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)吸光度大小隨NaIO4與殼聚糖質(zhì)量比變化先增加后減小，交聯(lián)密度先增大后減小。為了找到最接近天然有機(jī)角質(zhì)顎硬度以及力學(xué)性能梯度變化的材料，本文改變了NaIO4與殼聚糖的質(zhì)量比，當(dāng)NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增長(zhǎng)至9%時(shí)，樣條的硬度、彈性模量以及拉伸強(qiáng)度也逐漸增長(zhǎng)，韌性逐漸減??；當(dāng)NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在9%時(shí)，樣條硬度為（94 ± 0.74）HD，彈性模量達(dá)到最高值2447.34 MPa，拉伸強(qiáng)度也達(dá)到最高值51.38 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為6.88%；當(dāng)NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)從9%增長(zhǎng)至25%時(shí)，樣條的彈性模量以及拉伸強(qiáng)度卻逐漸減小，韌性也逐漸減小。說(shuō)明NaIO4越多，多巴氧化越快，氧化后的多巴與NH2反應(yīng)，交聯(lián)越多的殼聚糖，但過(guò)多的氧化劑NaIO4反而會(huì)降低交聯(lián)程度，使得彈性模量和拉伸強(qiáng)度先增加后降低。

本文將天然有機(jī)物角質(zhì)顎與仿生交聯(lián)殼聚糖對(duì)比，結(jié)果表明當(dāng)NaIO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、5%、9%時(shí)，仿生交聯(lián)殼聚糖與天然角質(zhì)顎翼部、側(cè)壁以及喙部的硬度、機(jī)械強(qiáng)度、韌性非常接近。受角質(zhì)顎力學(xué)性能梯度變化啟發(fā)，認(rèn)為梯度材料的意義在于它沒(méi)有界面但材料性質(zhì)存在空間上的變化，這種特點(diǎn)在工業(yè)上可能存在一些應(yīng)用，例如，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，一般情況下我們想獲得一個(gè)部件，如果頭部和尾部有不一樣的力學(xué)性能，我們就會(huì)用黏結(jié)或者機(jī)械嵌合的方法把兩種材料接起來(lái)，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(gè)問(wèn)題，本文制作的梯度材料會(huì)有很好的應(yīng)用前景。