生物材料(biomaterial)是生物體材料(biological material)和生物醫(yī)用材料(biomedical material)的統(tǒng)稱。生物材料學(xué)是一門綜合性新興學(xué)科,學(xué)科交叉十分廣泛,包括生命科學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)等。生物材料應(yīng)用廣泛,尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。世界各國(guó)對(duì)生物工程十分重視,中國(guó)也把生物工程列為重點(diǎn)發(fā)展的科研項(xiàng)目之一。近日,中國(guó)生物多樣性保護(hù)與綠色發(fā)展基金會(huì)(簡(jiǎn)稱中國(guó)綠發(fā)會(huì),綠會(huì))國(guó)際部獲悉一篇關(guān)于受帽貝啟發(fā),開發(fā)具有超強(qiáng)強(qiáng)度的新型生物材料的研究文章,現(xiàn)將其整理編譯如下,供感興趣的朋友參考。
(資料圖)
來自樸茨茅斯大學(xué)(University of Portsmouth)的由生物學(xué)家、化學(xué)家和工程師組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì),受到帽貝的啟發(fā),成功地培育出了一種具有超強(qiáng)強(qiáng)度的生物材料。
圖源: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31139-0
帽貝是一種水生蝸牛,牙齒非常堅(jiān)硬。它們的牙齒含有一種堅(jiān)硬而柔韌的復(fù)合材料,這是已知的具有最強(qiáng)強(qiáng)度的生物材料,遠(yuǎn)強(qiáng)于蜘蛛絲,可與包括碳纖維和凱夫拉纖維在內(nèi)的人造物質(zhì)媲美。
研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)成功地在實(shí)驗(yàn)室中模擬帽貝牙齒的形成,并制造出一種新的復(fù)合生物材料。這項(xiàng)發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)的研究表明,它很有潛力被升級(jí)為強(qiáng)度和柔韌性堪比合成材料的材料,而且在廢棄處理時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有害廢物。
該研究的主要作者、樸茨茅斯大學(xué)藥學(xué)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院的羅賓·魯姆尼博士(Robin Rumney)說:“像凱夫拉爾這樣的全合成復(fù)合材料被廣泛使用,但它的制造過程可能有毒,而且這種材料既昂貴又難以回收。而我們研究的材料,就其來源和制造方式而言,它可能更具可持續(xù)性,且在使用生命周期結(jié)束時(shí)可以被生物降解?!?/p>
帽貝牙齒具有如此強(qiáng)度是基于一種獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu),研究人員開發(fā)了一種方法,讓細(xì)胞群在自然環(huán)境之外的血清涂層玻璃上生長(zhǎng),兩周后,這些細(xì)胞自我組織,表現(xiàn)出極其強(qiáng)大的再升能力,形成了類似帽貝牙齒的結(jié)構(gòu)。
羅賓·魯姆尼博士補(bǔ)充道:“我花了6個(gè)月的時(shí)間來建立這個(gè)流程,我見證了我能想到的每一種排列,以了解細(xì)胞可能需要什么,以及它們?nèi)绾紊L(zhǎng)。這與通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中培養(yǎng)的細(xì)菌非常不同,所以我們必須從頭開始研究可行的方法?!?/p>
在成功復(fù)制帽貝牙齒的形成過程后,該團(tuán)隊(duì)隨后生產(chǎn)出了半厘米寬的生物材料樣本。目前,魯姆尼博士和他的團(tuán)隊(duì)正在探索這種材料被大規(guī)模生產(chǎn)的可能性。
他說:“我們的下一步是尋找其他方法來促進(jìn)鐵的形成,所以我們正在研究帽貝細(xì)胞的分泌物以更好地理解這一點(diǎn)。如果效果好的話,我們可以把感興趣的基因提取出來,并將它們放入細(xì)菌或酵母中大規(guī)模培養(yǎng)它們。對(duì)于我們現(xiàn)在所面臨的海洋塑料危機(jī),我認(rèn)為我們可以從海洋生物身上學(xué)習(xí)如何通過使用生物替代品來替代塑料,從而更好地保護(hù)海洋生物?!?/p>
“這是一個(gè)真正的跨學(xué)科項(xiàng)目,得到了海洋生物學(xué)家的全力支持和生物信息學(xué)家的積極參與,后者量化了從制造牙齒的齒槽的所有基因。同時(shí),研究也得到了進(jìn)行x射線分析和力學(xué)測(cè)試的工程師以及開發(fā)這種材料的化學(xué)家的幫助,沒有他們,研究也不可能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)?!?/p>
研究的資深作者、樸茨茅斯大學(xué)藥學(xué)和生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院的戴瑞克·戈雷基教授(Darek Gorecki)說:“這個(gè)項(xiàng)目雖然始于好奇心,但它可不僅僅是一項(xiàng)“藍(lán)天研究”,當(dāng)它真正應(yīng)用于實(shí)踐時(shí),我們就能體驗(yàn)到科學(xué)的神奇。
參考資料:https://phys.org/news/2022-07-biomaterial-super-strength-limpets.html
編譯:Sara
審核:Lucy
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