釉原蛋白的修饰及其对材料仿生合成的调控

发布时间：2022-01-26 23:19

　　迄今为止,高性能先进材料的制备常需要高温、高压等苛刻条件,伴随着巨大的能源消耗,而自然界中的生物体,如陆上的参天大树,海里的五彩贝壳,空中的翩飞蝴蝶,这些有机体在最低耗的常温常压下,由最常见的物质构成,却有着人造材料难以企及的等级结构和高性能。学习生物体的精细微观结构,模仿其结构或设计新材料,以获得类似的结构或功能特性,我们称为“仿生结构”或“仿生功能”。但生物体在常温常压下合成和制备这些精妙结构的过程更值得探究。模拟动植物体的结构形成过程,或者从动植物体的结构形成过程中得到灵感和启发,进而完成材料的合成与制备,我们称为“生物过程启示的材料合成”。自然界中生物体的结构形成过程都离不开生物大分子的作用。作为典型的生物矿物,牙齿被认为是生物体内最硬、最耐磨的矿化组织,牙釉质由羟基磷灰石纳米纤维层层组装而成,具有卓越的力学性能。釉原蛋白是釉质发育初期最重要的牙釉质基质蛋白,在调控羟基磷灰石的矿化和构建釉质的有序结构上起着举足轻重的作用。釉原蛋白在釉质成熟阶段被消化和吸收,因此,我们无法从生物体中提取大量釉原蛋白,这也使得釉原蛋白对羟基磷灰石的矿化机制尚未揭示清楚。本文首先采用分子生物学技术,... 

【文章来源】：武汉理工大学湖北省211工程院校教育部直属院校

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

先进材料的合成与制备技术

4滑移、胶原蛋白分子解旋、微裂纹、牺牲键，发生于裂纹尖端的前沿区域，促进塑性变形；第二，微米（10-100μm）尺度的非本征增韧机制，当裂纹开始生长时，裂纹桥接、裂纹偏转、胶原纤维桥接等非本征机制被激发，从而抑制裂纹的扩展[21,24,25]。图1-2（a）骨与（b）珍珠层的分级结构[21]。Figure1-2Hierarchicalstructureof(a)boneand(b)bamboo.贝壳珍珠层是典型的有机-无机纳米复合材料，无机组分占比95wt%，由片状文石（CaCO3）晶体层层交错排列而成，片状文石直径5-8μm，厚度200-900nm，层间由10-50nm厚的生物大分子层连接。最近的研究发现，单个片状文石实际又是由成千上万的纳米小颗粒（直径约30nm）组装连接而成的（图1-2b）。珍珠层是公认的高强超韧材料，其出众的力学性能就源自这种精细微观结构。有数据表明，纯相文石的断裂韧性约0.25MPa·m1/2，而珍珠层的韧性却达到10MPa·m1/2，高出40倍之多[21,26]。有限的层间有机物对材料增韧起着重要作用，当珍珠层受到荷载时，裂纹会沿着有机质层传播一段距离，消耗能量，即发生裂纹偏转，层状珍珠层中裂纹的频繁偏转能有效抑制裂纹扩展，因此展现优异的断裂韧性[27-29]。牙齿由内部牙本质和表层几毫米厚的牙釉质保护层构成，牙本质与骨组织

5相似，主要组分是羟基磷灰石和胶原纤维，而牙釉质的无机相（羟基磷灰石）含量却高达96wt%，有机质鲜少存在。牙釉质高度组装的微观结构和高无机含量，使其成为生物体内最硬、最耐磨的矿化组织。但哺乳动物的臼齿每天要承受口腔咀嚼运动产生的高达1000N的咬合力，并循环上千次，日复一日却不会出现损伤（牙齿不同于骨组织，无自修复能力），这仅靠脆性的牙釉质是无法达到的。牙本质作为韧性的承载基础，以及牙本质-釉质界面（dentin-enameljunction,DEJ）的裂纹阻断特性，赋予了牙齿良好的断裂韧性[30-32]。图1-3牙釉质的分级结构[34-36]。（a）牙齿纵截面特有的Hunter-SchregerBands明暗交替条纹；（b）HSBs的扫描电镜图。如果样品沿图中点画线方向切开，则会得到插图中的横截面图；（c）牙釉质表层扫描电镜图；（d）牙釉质等级结构示意图。Figure1-3Thehierarchicalstructureofenamel.(a)TheappearanceofHunter-SchregerBands(alternatedarkandlightbands).(b)SEMmicrographoftheHSBs(labelledX-Y).Ifthespecimenweresectionedalongthestippledline,astructuralpatterninthetransverseplanecouldappearasintheinset.(c)SEMmicrographoftheradialpatterninthesuperficialenamel.(d)Schematicillustrationofthehierarchicalenamelstructure.牙釉质复杂的微观结构仍然备受关注，其基本结构单元是釉柱，直径6-8μm，由取向生长的羟基磷灰石纳米纤维沿长轴方向平行组装而成[33]，釉质表层和内

【参考文献】：
期刊论文
[1]Meeting report: a hard look at the state of enamel research[J]. Ophir D Klein,Olivier Duverger,Wendy Shaw,Rodrigo S Lacruz,Derk Joester,Janet Moradian-Oldak,Megan K Pugach,J Timothy Wright,Sarah E Millar,Ashok B Kulkarni,John D Bartlett,Thomas GH Diekwisch,Pamela Den Besten,James P Simmer.  International Journal of Oral Science. 2017(04)



本文编号：3611306