Войти
Минерализованные ткани: морская губка, морские раковины, раковины, дентин, радиолярий, рог, кость Минерализованные ткани - это биологические ткани, которые содержат минералы в мягкие матрицы. Обычно эти ткани образуют защитный экран или структурную опору. Кость, раковины моллюсков, глубоководные губки Euplectella, виды радиолярии, диатомовые водоросли, панты кость, сухожилия, хрящ, зубная эмаль и дентин - вот некоторые примеры минерализованных тканей.
Эти ткани были точно настроены для улучшения их механических свойств в миллионах лет эволюции. Таким образом, минерализованные ткани были предметом многих исследований, поскольку есть чему поучиться у природы, как это видно из развивающейся области биомиметики. Замечательная структурная организация и инженерные свойства делают эти ткани желательными кандидатами для искусственного дублирования. Минерализованные ткани вдохновляют на миниатюризацию, адаптируемость и многофункциональность. Хотя природные материалы состоят из ограниченного числа компонентов, для моделирования тех же свойств в инженерных приложениях можно использовать большее разнообразие химического состава материалов. Тем не менее, успех биомиметики заключается в том, чтобы полностью понять характеристики и механику этих биологических твердых тканей перед заменой природных компонентов искусственными материалами для инженерного дизайна.
Минерализованные ткани сочетают в себе жесткость, малый вес, прочность и жесткость благодаря наличие минералов (неорганическая часть) в мягких белковых сетях и тканях (органическая часть). В результате биологических процессов образуется около 60 различных минералов, но наиболее распространенными из них являются карбонат кальция, содержащийся в раковинах моллюсков, и гидроксиапатит, присутствующий в зубах и костях. Хотя можно подумать, что минеральное содержание этих тканей может сделать их хрупкими, исследования показали, что минерализованные ткани в 1000–10 000 раз прочнее, чем содержащиеся в них минералы. Секрет этой основной силы кроется в организованном наслоении ткани. Благодаря такому слою нагрузки и напряжения передаются по нескольким масштабам длины, от макро до микро и нано, что приводит к рассеянию энергии внутри устройства. Следовательно, эти шкалы или иерархические структуры способны распределять повреждения и сопротивляться растрескиванию. Два типа биологических тканей стали объектом обширных исследований, а именно перламутр из раковин и костей моллюсков, которые являются высокоэффективными природными композитами. Многие механические методы и методы визуализации, такие как наноиндентирование и атомно-силовая микроскопия, используются для характеристики этих тканей. Хотя степень эффективности биологических твердых тканей еще не имеет себе равных среди искусственных керамических композитов, в настоящее время разрабатываются некоторые многообещающие новые методы их синтеза. Не все минерализованные ткани развиваются в результате нормальных физиологических процессов и приносят пользу организму. Например, камни в почках содержат минерализованные ткани, которые развиваются в результате патологических процессов. Следовательно, биоминерализация является важным процессом для понимания того, как возникают эти заболевания.
Эволюция минерализованных тканей вызывает недоумение уже более века. Была выдвинута гипотеза, что первый механизм минерализации тканей млекопитающих начался либо в оральном скелете конодонта, либо в дермальном скелете ранних бесчеловечных. Дермальный скелет - это просто поверхность дентин и базальная кость, которая иногда покрывается эмелоидом. Считается, что кожный скелет в конечном итоге превратился в чешую, которая гомологична зубам. Зубы впервые были замечены у chondrichthyans и состояли из всех трех компонентов дермального скелета, а именно дентина, базальной кости и эмелоида. Механизм минерализации ткани млекопитающих был позже разработан у актиноптеригов и саркоптеригов в ходе эволюции костных рыб. Ожидается, что генетический анализ бесчеловечных птиц даст больше информации об эволюции минерализованных тканей и прояснит доказательства из ранних ископаемых останков.
Иерархические структуры различны особенности, видимые на разных масштабах длины. Чтобы понять, как иерархическая структура минерализованных тканей способствует их замечательным свойствам, ниже описаны свойства перламутра и кости. Иерархические структуры характерны для биологии и присутствуют во всех структурных материалах в биологии, таких как кости и перламутр из ракушек
Перламутр имеет несколько иерархических структурных уровней.
Иерархическая структура: концепция кирпича и раствора Некоторые раковины моллюсков защищаются от хищников с помощью двухслойной системы, одна из которых - перламутр. Перламутр составляет внутренний слой, а другой, внешний, слой сделан из кальцита. Последний является твердым и, таким образом, предотвращает любое проникновение через оболочку, но подвержен хрупкому разрушению. С другой стороны, перламутр более мягкий и может выдерживать неупругие деформации, что делает его более жестким, чем твердая внешняя оболочка. Минерал, обнаруженный в перламутре, - это арагонит, CaCO3, и он занимает 95% об. Перламутр в 3000 раз прочнее арагонита, и это связано с другим компонентом перламутра, который занимает 5% об., То есть более мягкими органическими биополимерами. Кроме того, перламутровый слой также содержит нити из более слабого материала, называемые линиями роста, которые могут отклонять трещины.
Микромасштаб можно представить в виде трехмерной стены из кирпича и раствора. Кирпичи будут представлять собой слои микроскопических многоугольных таблеток арагонита толщиной 0,5 мкм диаметром примерно 5-8 мкм. Кирпичи скрепляет строительный раствор, а в случае перламутра эту роль играет органический материал толщиной 20-30 нм. Хотя эти таблетки обычно изображают в виде плоских листов, различные методы микроскопии показали, что они имеют волнистую природу с амплитудами, равными половине толщины таблетки. Эта волнистость играет важную роль в разрушении перламутра, поскольку она будет постепенно блокировать таблетки, когда их разнимают, и вызывает затвердевание.
Граница раздела между таблетками толщиной 30 нм, которая соединяет их вместе, и обнаруженные с помощью сканирующей электронной микроскопии зерна арагонита, из которых вместе состоят сами таблетки, представляют другой структурный уровень. Органический материал, «склеивающий» таблетки вместе, состоит из белков и хитина.
. Подводя итог, на макроуровне, оболочка, два ее слоя (перламутр и кальцит ), а более слабые нити внутри перламутра представляют три иерархические структуры. В микромасштабе уложенные друг на друга слои таблеток и волнистая граница раздела между ними представляют собой две другие иерархические структуры. Наконец, в наномасштабе органический материал, соединяющий таблетки, а также зерна, из которых они сделаны, является последней шестой иерархической структурой в перламутре.
Как перламутр и перламутр другие минерализованные ткани, кость, имеют иерархическую структуру, которая также образована самосборкой более мелких компонентов. Минерал в кости (известный как костный минерал ) представляет собой гидроксиапатит с большим количеством карбонат-ионов, а органическая часть состоит в основном из коллагена и некоторых других белков.. Иерархическая структура кости простирается до трехуровневой иерархии самой молекулы коллагена. Различные источники сообщают о разном количестве иерархических уровней в кости, которая представляет собой сложный биологический материал. Типы механизмов, которые действуют в различных масштабах структурной длины, еще предстоит должным образом определить. Ниже представлены пять иерархических структур кости.
Компактная кость и губчатая кость находятся в масштабе от нескольких миллиметров до 1 или более сантиметров.
На микромасштабе есть две иерархические структуры. Первый в масштабе от 100 мкм до 1 мм находится внутри компактной кости, где можно различить цилиндрические единицы, называемые остеонами, и небольшие распорки. Вторая иерархическая структура, ультраструктура, в масштабе от 5 до 10 мкм, представляет собой фактическую структуру остеонов и небольших распорок.
Также есть две иерархические структуры на наноразмер. Первая - это структура внутри ультраструктуры, которая представляет собой фибриллы и экстрафибриллярное пространство в масштабе нескольких сотен нанометров. Вторые - это элементарные компоненты минерализованных тканей в масштабе десятков нанометров. Компонентами являются минеральные кристаллы гидроксиапатита, цилиндрические молекулы коллагена, органические молекулы, такие как липиды и белки, и, наконец, вода. Иерархическая структура, общая для всех минерализованных тканей, является ключом к их механическим характеристикам.
Минерал - это неорганический компонент минерализованных тканей. Этот компонент делает ткани более твердыми и жесткими. Гидроксиапатит, карбонат кальция, кремнезем, оксалат кальция, витлокит и мононатрий урат являются примерами минералов, обнаруженных в биологических тканях. В раковинах моллюсков эти минералы переносятся к месту минерализации в везикулах внутри специализированных клеток. Хотя они находятся в аморфной минеральной фазе, находясь внутри пузырьков, минерал дестабилизируется по мере того, как он выходит из клетки и кристаллизуется. В костях исследования показали, что фосфат кальция зарождается в области отверстия коллагеновых фибрилл, а затем растет в этих зонах, пока не займет максимальное пространство.
Органическая часть минерализованных тканей состоит из белков. Например, в кости органический слой - это белковый коллаген. Степень минерализации в минерализованных тканях варьируется, и органический компонент занимает меньший объем по мере увеличения твердости ткани. Однако без этой органической части биологический материал был бы хрупким и легко ломался бы. Следовательно, органический компонент минерализованных тканей увеличивает их прочность. Более того, многие белки являются регуляторами процесса минерализации. Они действуют в зародышеобразовании или в ингибировании образования гидроксиапатита. Например, известно, что органический компонент в перламутре ограничивает рост арагонита. Некоторые из регуляторных белков в минерализованных тканях - это остеонектин, остеопонтин, остеокальцин, костный сиалопротеин и дентин фосфофорин. В перламутре органический компонент пористый, что позволяет образовывать минеральные мосты, ответственные за рост и упорядочение перламутровых таблеток.
Понимание образования биологических тканей неизбежно чтобы правильно их искусственно реконструировать. Даже если в некоторых аспектах остаются вопросы и еще предстоит определить механизм минерализации многих минерализованных тканей, есть некоторые представления о раковинах, костях и морских ежах моллюсков.
Основными структурными элементами, участвующими в процессе образования раковины моллюска, являются: гидрофобный шелковый гель, белок, богатый аспарагиновой кислотой, и хитин носитель. Шелковый гель является частью белковой части и в основном состоит из глицина и аланина. Это не упорядоченная структура. Кислые белки играют роль в конфигурации листов. хитин высокоупорядочен и является каркасом матрицы. Основными элементами всего этого являются:
В кости минерализация начинается с гетерогенный раствор, содержащий ионы кальция и фосфата. Минерал зарождается внутри области отверстий коллагеновых фибрилл в виде тонких слоев фосфата кальция, которые затем растут, занимая максимальное доступное пространство. Механизмы отложения минералов в органической части кости все еще исследуются. Три возможных предположения заключаются в том, что зародышеобразование происходит либо из-за осаждения раствора фосфата кальция, вызванного удалением биологических ингибиторов, либо из-за взаимодействия связывающих кальций белков.
Эмбрион морского ежа широко использовался в исследованиях биологии развития. Личинки образуют сложный эндоскелет, состоящий из двух спикул. Каждая из спикул представляет собой монокристалл минерала кальцита. Последний является результатом превращения аморфного CaCO 3 в более стабильную форму. Следовательно, в формировании спикул личинки присутствуют две минеральные фазы.
Интерфейс минерал-белок с лежащими в его основе силами адгезии участвует в укрепляющих свойствах минерализованных тканей. Взаимодействие на границе раздела органических и неорганических веществ важно для понимания этих свойств повышения ударной вязкости.
На границе раздела требуется очень большая сила (>6-5 нН), чтобы отвести молекулы белка от минерал арагонит в перламутре, несмотря на то, что молекулярные взаимодействия не связаны. В некоторых исследованиях выполняется анализ модели конечных элементов для изучения поведения интерфейса. Модель показала, что во время растяжения напряжение спины, возникающее при пластическом растяжении материала, играет большую роль в укреплении минерализованной ткани. Кроме того, наноразмерные неровности на поверхности таблеток обеспечивают сопротивление межламеллярному скольжению и, таким образом, укрепляют материал. Исследование топологии поверхности показало, что прогрессирующая блокировка и упрочнение таблеток, необходимые для распространения больших деформаций на большие объемы, происходили из-за волнистости таблеток.
У позвоночных минерализованные ткани не только развиваются в результате нормальных физиологических процессов, но также могут быть вовлечены в патологические процессы. Некоторые пораженные участки, на которых видны минерализованные ткани, включают атеросклеротические бляшки, опухолевый кальциноз, ювенильный дерматомиозит, почки и слюнные. камни. Все физиологические отложения содержат минерал гидроксиапатит или аналогичный ему. Методы визуализации, такие как инфракрасная спектроскопия, используются для получения информации о типе минеральной фазы и изменениях в минеральном и матричном составе, вызывающих заболевание. Кроме того, кластические клетки - это клетки, вызывающие резорбцию минерализованной ткани. Если наблюдается дисбаланс обломочной клетки, это нарушит резорбтивную активность и вызовет заболевания. Одно из исследований с участием минерализованных тканей в стоматологии было посвящено минеральной фазе дентина, чтобы понять его изменение с возрастом. Эти изменения приводят к образованию «прозрачного» дентина, который еще называют склеротическим. Было показано, что механизм «растворения и повторного осаждения» управляет образованием прозрачного дентина. Причины и способы лечения этих состояний могут быть найдены в ходе дальнейших исследований роли вовлеченных минерализованных тканей.
Зависимая от плотности цветная сканирующая электронная микрофотография SEM (DDC-SEM) сердечно-сосудистой кальцификации, демонстрирующая оранжевые сферические частицы фосфата кальция (более плотный материал) и зеленым цветом внеклеточный матрикс (менее плотный материал).Привлекательные свойства минерализованных тканей, таких как перламутр и кость, привели к созданию большого количества биомиметических материалов. Хотя можно сделать улучшения, есть несколько методов, используемых для имитации этих тканей. Здесь описаны некоторые современные методы имитации перламутра.
Крупномасштабные модели материалов основаны на том факте, что прогиб трещин является важным Механизм упрочнения перламутра. Это отклонение происходит из-за слабых поверхностей раздела между плитками арагонита. Системы на макроскопических шкалах используются для имитации этих недельных поверхностей раздела слоистых композитных керамических таблеток, которые удерживаются вместе слабым «клеем» раздела фаз. Следовательно, эти крупномасштабные модели могут преодолеть хрупкость керамики. Поскольку другие механизмы, такие как блокировка таблеток и распространение повреждений, также играют роль в прочности перламутра, другие модели в сборе, вдохновленные волнистой микроструктурой перламутра, также были разработаны в большом масштабе.
Ice Templation - это новый метод, использующий физику образования льда для создания слоисто-гибридного материала. В этой системе керамические частицы в концентрированной суспензии замораживаются с использованием тщательно контролируемой кинетики замораживания. В результате может быть получен однородный пористый каркас , который затем заполняется второй органической или неорганической фазой для создания плотных слоистых композитов.
Послойное осаждение - это метод, который, как следует из его названия, состоит из послойной сборки для создания многослойных композитов, таких как перламутр. Некоторые примеры усилий в этом направлении включают чередование слоев твердых и мягких компонентов TiN / Pt с системой ионного пучка. Композиты , изготовленные с помощью этого метода последовательного осаждения, не имеют сегментированной слоистой микроструктуры. Таким образом, для преодоления этого ограничения была предложена последовательная адсорбция, состоящая из многократной адсорбции электролитов и ополаскивания таблеток, что приводит к многослойности.
Осаждение тонких пленок направлено на воспроизведение поперечно-пластинчатой микроструктуры раковины вместо имитации слоистой структуры перламутра с использованием микроэлектромеханических систем (МЭМС). Среди раковин моллюсков наибольшая степень структурной организации имеет раковина раковина. Минерал арагонит и органическая матрица заменены на поликремний и фоторезист. Технология MEMS многократно наносит тонкую кремниевую пленку. Интерфейсы протравливаются реактивным ионным травлением, а затем заполняются фоторезистом. Последовательно нанесены три пленки. Хотя технология MEMS является дорогой и требует больше времени, существует высокая степень контроля над морфологией и возможность изготовления большого количества образцов.
Метод самосборки сборка пытается воспроизвести не только свойства, но и обработку биокерамики. В этом процессе используется легко доступное в природе сырье для достижения строгого контроля над зародышеобразованием и ростом. Это зародышеобразование происходит на синтетической поверхности с некоторым успехом. Техника происходит при низкой температуре и в водной среде. Самосборные пленки образуют шаблоны, которые влияют на зарождение керамических фаз. Обратной стороной этого метода является невозможность формирования сегментированной слоистой микроструктуры. Сегментация - важное свойство перламутра, используемого для отклонения трещин керамической фазы без ее разрушения. Как следствие, этот метод не имитирует микроструктурные характеристики перламутра за пределами слоистой органической / неорганической слоистой структуры и требует дальнейших исследований.
Различные исследования позволили ускорить понимание минерализованных тканей. Однако до сих пор неясно, какие микро / наноструктурные особенности важны для характеристик материала этих тканей. Также в настоящее время отсутствуют нормативные акты по различным путям загрузки материалов. Для перламутра роль некоторых нанозерен и минеральных мостиков требует дальнейших исследований для полного определения. Успешное биосимитирование раковин моллюсков будет зависеть от получения дополнительных знаний обо всех этих факторах, особенно от выбора материалов, влияющих на работу минерализованных тканей. Кроме того, окончательный метод, используемый для искусственного воспроизводства, должен быть экономически эффективным и масштабируемым в промышленном масштабе.
