（材料学专业论文）几种腹足纲贝壳的结构和性能.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 自然界中一些天然生物材料的分级结构和优异性能为复合材料和陶瓷材料的仿生 设计提供新的思路，研究其结构和性能是研制仿生材料的一个最基本的前提。贝壳作为 天然生物材料的一种，由于其优异的力学性能而受到材料设计和研究者的关注。本文以 大连地区特有的腹足纲的香螺贝壳及几种热带海螺贝壳( 唐冠螺、黄米螺和蜘蛛螺) 为 研究对象，通过光学显微镜、扫描电镜、x 射线仪和透射电镜等仪器观察了其无机相组 成和微观组织结构；并对这几种贝壳中的有机蛋白质进行了提取分析；用差示扫描热分 析仪( d s c ) 和傅立叶变换红外光谱( f ，r i r ) 对香螺贝壳粉末的热行为进行了细致的研究； 用三点弯曲、压缩和纳米压痕等方法对香螺和唐冠螺贝壳的力学性能进行了分析，并用 有限元分析的方法对其力学性能进行了初步的模拟计算。最后对交错纹片结构的贝壳的 结构和性能之间的关系进行了探讨。 1 产自温带海域的香螺壳由方解石和文石两相构成，产自热带海域的黄米螺和唐 冠螺及蜘蛛螺均由单一的文石相组成。香螺壳除胚壳由单一的文石相构成外，螺塔和体 螺环部位都是由最外层方解石和两层或多层文石内层构成，壳口边缘只有一层方解石。 方解石为柱状结构，文石层为交错纹片结构。黄米螺、唐冠螺的体壳都是由三层文石结 构构成，蜘蛛螺由四层文石结构构成，其文石相的显微结构也为交错纹片结构。贝壳中 的方解石和文石层均呈多级超微结构，微量的有机质在晶界和晶内呈不连续分布。 2 在对不同处理状态贝壳的三点弯曲、压缩和纳米压痕等力学性能实验的对比中， 发现在空气中加热后的贝壳力学性能较低，应用加热前后贝壳文石层中有机蛋白质分子 和文石晶体界面处模型的变化，较好的说明了贝壳作为一种典型的天然生物材料，其性 能不仅仅与贝壳独特的微观结构相关，与其中的有机质以及有机质和无机相之间的健合 等因素也是相关的。 3 对香螺贝壳纳米压痕的结果表明文石的弹性模量和硬度要高于方解石层，贝壳 的性能和微观裂纹扩展与晶体类型以及晶体结构的排列方式是密切相关的。方解石层压 痕四周均存在裂纹，其裂纹形状曲折、不规则且沿着方解石层的边界扩展，不抗裂纹扩 展。文石压痕周围平直清晰，裂纹沿着其二级结构扩展。新鲜的贝壳其纳米压痕的变形 功、硬度和模量要高于烘干以后的贝壳的变形功、硬度和模量，这与其三点弯曲的实验 结果是一致的。 4 采用三点弯曲、压缩、显微硬度、纳米压痕等几种实验方法表征贝壳的力学性 能，对实验结果的综合分析后发现纳米压痕功与贝壳的纳米硬度以及弹性模量等力学性 能指标有较好的对应关系，表明纳米压痕实验对于表征贝壳类天然生物材料的微纳米尺 几种腹足纲贝壳的结构和性能 度的力学性能比较合理。 5 通过对不同生长期香螺贝壳文石板条特征尺寸和力学性能的比较，发现随着香 螺贝壳生长期的增加，文石板条特征尺寸也在增大，香螺贝壳的强度、硬度和弹性模量 等力学性能指标也在增大，其三点弯曲曲线的斜率呈现出增大的趋势，而且承载能力也 表现出明显的增强。揭示了贝壳类天然生物材料的性能不同于传统工程材料尺寸越小， 强度越高的准则，而是综合考虑结构、有机质等多因素作用的结果。 关键词：贝壳；结构；有机基质；力学性能；纳米压痕 大连理工大学博士学位论文 t h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fs e v e r a lg a s t r o p o d as h e l l s a b s t r a c t i nn a t u r e ，m a n yn a t u r a lb i o m a t e r i a l sw i t hh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s p r o v i d en e wi d e a sf o rd e s i g n i n gt h ec o m p o s i t em a t e r i a la n dc e r a m i cm a t e r i a l a n ds t u d y i n g t h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si st h em o s tb a s i cp r e m i s ef o rp r o d u c i n g b i o m a t e r i a l t h em o l l u s ks h e l l ，a sa t y p i c a ln a t u r a lb i o m a t e r i a l ，h a sa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no f t h er e s e a r c h e r sd u et oi t ss p e c i a lm i c r o s t r u c t u r ea n de x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t i l i s p a p e rt a k e sh e m i m s u st u b ac o n c hs h e l lf r o mt h er e g i o no fy e l l o ws e aa n db o h a ls e aa n d s e v e r a lt r o p i c a lc o n c hs h e l lo fg a s t r o p o d a ( h o m e dh e l m ec o n c hs h e l l ，c o n u sb e t u l i n a l i n n a e u ss h e l l ，c o m m o ns p i d e rc o n c hs h e l l ) a st h eo b j e c t ，a n ds t u d i e st h ec o m p o s i t i o n ， s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o r p h o l o g yb yo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dt r a n s m i t t e de l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) t h e s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o r p h o l o g yo fh e m i f u s u st u b ac o n c hs h e l li nd i f f e r e n tg r o w t h p e r i o da r eo b s e r v e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) t h eo r g a n i cp r o t e i no fa b o v es e v e r a l m o l l u s cs h e l l si se x t r a c t e da n da n a l y z e da n dt h et h e r m a lb e h a v i o u ri sr e s e a r c h e di nd e t a i lb y d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i c i t y ( d s c ) a n df o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r a ( f t i r ) 1 1 1 e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh e m i f u s u st u b aa n dh o m e dh e l m ec o n c hs h e l la r es t u d i e db y 3 - p o i n tb e n d i n gt e s t ，c o m p r e s s i v et e s ta n dn a n o i n d e n t a t i o n , a n dt h e ni t s i m u l a t e st h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e su s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a tl a s tt w ob i o m a t e r i a l sa r ef a b r i c a t e d s i m u l a t i n gt h em o l l u s ks h e l l ss t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e ma r ea n a l y z e d 1 ，n l eh e m i 如s u st u b ac o n c hs h e l lo ft e m p e r a t es e ai sc o m p o s e do fc a l c i t ea n da r a g o n i t e p h a s e ，a n do t h e rt h r e et r o p i c a lc o n c hs h e l l sa r ea l lc o m p o s e do fs i n g l ep h a s eo fa r a g o n i t eo f c r o s s e d 1 a m e l l a r t h eh e m i f u s u st u b ac o n c hs h e l lh a sd i f f e r e n tc o m p o n e n t a n dt h e p r o d i s s o c o n c hi sc o m p o s e do fs i n g l ea r a g o n i t e ，a n dt h es p i r ea n db o d yl o o p c o i l a r e c o m p o s e do fo u t e rl a y e ro fc a l c i t ea n dt w oo rm o r el a y e ro fa r a g o n i t e ，y e tt h es h e l la p e r t u r e f r i n g ec o n s i s t so fs i n g l el a y e ro fc a l c i t e t h ec a l c i t ei si r r e g u l a r c y l i n d r i c a lg r a i n sa n d a r a g o n i t e i sc r o s s e d 1 a m e l l a rs t r u c t u r e t h ec a l c i t ea n d a r a g o n i t el a y e r a r ea l l m u l t i a r c h i t e c t u r e ，a n das m a l lq u a l i t yo fo r g a n i cm a r xp r e s e n t sd i s c o n t i n u o u sd i s t r i b u t i o na t g r a i nb o u n d a r ya n di ng r a i n 2 t l l ec o m p a r a t i v er e s u l t so f3 - p o i n tb e n d i n gt e s t s ，c o m p r e s s i v et e s t sa n dn a n o i n d e n t a t i o n t e s t so fc o n c hs h e l l i nd i f f e r e n ts t a t e si n c l u d i n gf l e s hs h e l la n d sh e a t e ds h e l l si n d i c a t et h a tt h e m i c r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh e a t e ds h e l l sa t2 5 0 a r el o w e rt h a nt h a to ff l e s h s h e l l s a p p l y i n gt h ei n t e r f a c em o d e l so fo r g a n i cp r o t e i na n di n o r g a n i cc d ，s t a li nt h es h e l l s 几种腹足纲贝壳的结构和性能 a r a g o n i t eb e t w e e nf o r m e ra n da f t e rh e a t i n gs t a t e sp r e f e r a b l ye x p l a i nt h a tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa r en o to n l yc o r r e l a t i v et ou n i q u em i c r o s t r u c t u r e ，b u ta l s or e l a t ew i t ht h eo r g a n i c m a t r i xa n dt h eb o l a db e t w e e nt h eo r g a n i cm a t r i xa n di n o r g a n i cm i n e r a l 3 t h en a n o i n d e n t a t i o nr e s u l t so fh e m i f u s u st u b ac o n c hs h e l l i n d i c a t et h a tt h em o d u l u sa n d h a r d n e s so fa r a g o n i t ea r eh i g h e rt h a nt h a to fc a l c i t e n em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e m i c r o c r a c k sp r o p a g a t i o na r er e l a t e dt ot h ec r y s t a lt y p ea n dc r y s t a ls t r u c t u r e t h ec r a c k s a r o u n dt h ei n d e n t a t i o no fc a l c i t ec r y s t a l sa r ei r r e g u l a ra n dp r o p a g a t ea l o n gt h ei n t e r f a c eo f c a l c i t e h o w e v e rt h ec r a c k sa r o u n dt h ei n d e n t a t i o no fa r a g o n i t ea r er e g u l a ra n do b v i o u s ，a n d p r o p a g a t ea l o n gt h es e c o n d o r d e rs t r u c t u r e ，n l ed e f o r m a t i o nw o r k h a r d n e s sa n dm o d u l u so f f r e s hs h e l l sa r eh i g h e rt h a nt h a to fh e a t e ds h e l l s ，a n dw h i c hi sa c c o r d e d 晰t ht h e3 - p o i n t b e n d i n gt e s t sr e s u l t s 4 t h e3 - p o i n tb e n d i n gt e s t s ，c o m p r e s s i o n ，m i c r o h a r d n e s sa n dn a n o i n d e n t a t i o nt e s t se t c s e v e r a le x p e r i m e n t sa r ea p p l i e dt ot e s tt h et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm o l l u s cs h e l l s t h e s y n t h e t i c a lt e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ee x i s t st h eb e r e rc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e n n a n o i n d e n t a t i o nw o r ka n db e n d i n gs t r e n g t h ，n a n o h a r d n e s s ，m o d u l se t c a n dw h i c hs h o w st h a t t h en a n o i n d e n t a t i o nt e s ti sm o r er e a s o n a b l et ot e s tt h em i c r o n a n om e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m o l l u s ks h e l l so fb i o m a t e r i a l 6 t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns i z eo fa r a g o n i t ef i b e ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss h o w st 1 1 a tt h e t h i c k n e s so fa r a g o n i t ef i b r ei n c r e a s ew i t ht h ea c c r e t i o no fg r o w t hp e r i o do fh e m i f u s u st u b a c o n c hs h e l l a n dt h es l o p eo f3 - p o i n tb e n d i n gc u r v e si n c r e a s e s ，a n dt h eb e a r i n gc a p a c i t y ， h a r d n e s s ，m o d u l u sa n dn a n o i n d e n t a t i o nw o r kp r e s e n to b v i o u se n h a n c e m e n t a n dw h i c h s h o w st h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm o l l u s ks h e l l so fb i o m a t e r i a la r ed i f f e r e n tf r o mt h e h i g h e rs t r e n g t ha n dl i t t l ed i m e n s i o no ft h et r a d i t i o n a le n g i n e e r i n gm a t e r i a l ，b u ti ts y n t h e t i c a l l y c o n s i d e r st h em i c r o s t r u c t u r ea n do r g a n i cm a t r i xe t cf a c t o r s k e yw o r d s ：m o l l u s cs h e l l ；m i c r o s t r u c t u r e ；o r g a n i cm a t r i x ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； n a n o i n d e n t a t i o n i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 骂粗嗍趔逊 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 生物体经过2 0 亿年物竞天择的优化，设计和制备了最适合自己使用的材料，几乎 是完美无缺的。大自然的分子机械技术比人类目前任何一种制造技术都高明n 一1 。这些 材料结构多样，性能优异，在最普通的条件下( 常温常压) 下合成。通过研究生物系统 的结构、功能在能量转换、生物合成、结构力学、流体力学、定向、导航、探测等许多 方面表现出的各种优异特性，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途 径，为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的工程装置。 生物矿化材料是自然界中广泛存在的一种材料，近年来，生物矿化材料的这种自组 装、分级结构、纳米尺度的特征受到了来自化学、物理、材料和生物多个领域科学家的 关注口1 ，其精美结构与优异功能使很多材料科学家着迷h 一1 。对生物组装过程的充分认识， 可使人们在分子层次上，设计与合成具有特定结构和功能的材料和器件，如医用修复材 料、化学传感器、微图像处理器和量子器件等1 。 自1 9 8 8 年中国生物无机化学家王夔院士和材料学家李恒德院士将生物矿化的概念 介绍到国内后，中国的生物矿化研究开始逐渐形成规模口，。其中很重要的一个方面就是 在学习矿化材料合成方法的基础上，研究并实施新的材料制备策略。而深入进行这些工 作的一个重要前提就是表征天然生物矿物的分级结构及探索生物矿化的基本机理呻1 。软 体动物的贝壳作为生物矿化材料的典型代表，其独特的组装方式使其具有最佳的强韧 性，对其结构和性能的研究将有益于指导仿生材料的研制。 1 2 贝壳类材料的特点 自然界中五光十色、形态各异的贝壳，让人们爱不释手，也给我们的生活带来美的 享受和乐趣，同时这些美丽的贝壳也给现代科学研究带来了许多深刻启示。贝壳的形态 包含着许多的几何曲线，例如，我们熟悉的各种螺旋线等，这些曲线极大地丰富了数学 家的研究视野。同时，贝壳的形貌也给建筑学家的设计思想以极大的启迪，成为现代建 筑设计( 特别是薄壳式建筑) 模仿的重要目标，如著名的悉尼歌剧院。尤其是贝壳内 部的微结构，以及由此所产生的材料性能，更是令科学家们惊叹不已。 贝壳类材料与碳酸钙的矿物晶体相比，其力学性能( 如断裂伸长率、断裂韧性) 可提 高几个数量级西j 们，而化学成分的差异仅在于前者比后者增加了约o 1 一- 5 w t 的蛋白质、 多糖类等有机高分子物质。贝壳类材料是一种由生命系统参与合成的天然生物陶瓷和生 物高分子复合材料，由于受控于这种特殊的生命过程，使“平常 的碳酸钙具有了常规 几种腹足纲贝壳的结构和性能 碳酸钙晶体无可比拟的优点n0 儿1 ，如极高的强度、非常好的断裂韧性、减震性能、表面 光洁度以及许多特殊的性能。这些不同寻常的性能已经被确认为源于在特定的生物条件 下，该种材料巧妙的组装过程及其特有的精细微观结构n 0 屹1 。 这种天然复合材料的有机质不仅在结构上有框架作用u 引，而且在碳酸钙晶体的成核 和生长过程中起着决定性的作用，涉及到非常复杂的界面匹配和分子识别问题，现在即 使是对最简单的生物硬组织的详细矿化过程也未完全了解u 乙1 。 1 3 贝壳类材料的研究成果 对于贝壳类生物材料的研究是从上世纪2 0 年代伴随着珍珠养殖业的发展而起始的， 但是大量的研究还是从本世纪初开始的。目前对贝壳类生物材料尤其是珍珠层的微结构 及其韧性机理的研究已有初步理解，然而随着观察手段的进一步提高、研究深入也发现 存在着更深层次的问题。无论是对微结构，还是对相关力学性能的研究仍然是很不成熟 的，贝壳材料是否还存在其他形式的微结构，贝壳宏观性能与其微观结构相对的关联机 制是什么等等，还存在着很多的问题。 二十世纪初古生物学家用偏光显微镜对双壳贝类为主的多种生物矿物进行了系统 观察，对大多数贝壳类材料的结构特征和矿物成分有了比较完整的了解n 4 。州。第二次世 界大战以后的5 0 - 6 0 年代，西北欧及美国学者借助于透射电镜和扫描电镜对贝壳类为主 的生物矿物做了深入的研究n 7 。驯。c r e n s h a w 于1 9 7 2 年首先采用e d t a 对薪蛤进行脱钙化处 理，使有机基质能较完整地保留下来啪荔1 ，开创了生物矿物中有机基质研究的新领域， 从而将生物矿化的研究引入到机理探索的层次驯副。到了二十世纪末、二十一世纪初， 关于贝壳类生物材料的研究开始得到一些发达国家的重视，如美国空军设立专项进行贝 壳材料的仿生研究，英国、日本、德国等地也相继开展近似工作n 玑删。这个时期不同学 科的众多科学家开始参与到贝壳类生物材料的研究中h 确1 ，将贝壳类材料的研究逐步提 高到生物无机化学、细胞生物学、分子生物学乃至基因的水平。随着生物矿化理论特别 是模板理论的建立，材料学家在采用a f m 等对其超微结构进一步进行研究，使天然生物 矿物材料的仿生成为研究的前沿。 近年来国内也有越来越多的学者开始从事珍珠层的研究工作，清华大学生物材料研 究组自1 9 8 7 年以来对珍珠层的组织结构以及晶体学取向进行了详细的研究睁7 1 1 ，冯庆玲 等人通过t e m 发现珍珠层中存在取向畴结构：宋凡发现了珍珠母中的矿物桥在有机基质 中的几何特征和分布规律，并对矿物桥对珍珠母的力学性能影响进行了分析口2 侧；广州 地球物理研究所的谢先德、张刚生等一1 也对海水及淡水的双壳贝类珍珠层的显微结构、 晶体学取向等方面进行了研究；其他的研究者的研究一1 大部分也都是集中在双壳纲贝 大连理工大学博士学位论文 类的珍珠层以及鲍鱼壳的显微结构、微量元素及宝石学特征的研究上。另外，胡吉明， 侯东芳等旧删1 也对腹足纲贝壳的有机质结构和力学特征进行了初步的研究。还有一些学 者利用已有的研究成果和理论进行了仿生研究睁3 吲1 。这些研究虽然取得了一定的成果， 但是还没有完全揭示贝壳的真正成因，人工仿生合成材料性能提高的程度也不高。 1 3 1 贝壳类材料的组成、结构及晶体取向 1 3 1 i 贝壳材料的组成 贝壳作为一种典型的天然生物材料，当它作为生物体的一部分时，是有生命的，这 样的材料从概念上是全新的，它把组织结构和不同功能的材料结合在一起，构成了一种 “活的材料。 贝壳材料中所含的主要元素为c a 、c 、o 、h ，其无机组成相为碳酸钙( c a c o 。) 。 它有三种不同的晶体类型，而且这三种晶型都具有各自典型的形貌嘲1 ，分别是：方解石 ( 斜方六面体型) ；文石( 菱形、针形和球形) ；球文石( 多晶球形) 。方解石和文石碳酸钙 晶体分别隶属于六方晶系和斜方晶系呻1 。方解石和文石结构是a c o 。型碳酸盐的两种重要 的晶体结构，当阳离子的半径大于0 9 9 a 时易于形成文石结构，而半径小于o 9 9 a 则形 成方解石结构，由于钙离子的半径刚好位于两种结构的分界点，所以碳酸钙晶体同时具 有两种结构。主要差异表现在c 0 3 2 一的位置及配位数的不同；和方解石相比，文石中c 0 3 扣 群旋转了3 0 。，结果在其间形成较大的阳离子空间，使其配位数达到了9 ，而方解石的 配位数仅为6 。从热力学角度看，方解石比文石结构稳定，这两种c a c o 。晶体在软体动 物贝壳中普遍存在，而球文石则非常不稳定，在正常的生物矿化体中一般不存在，仅在 少数软体动物贝壳的修复过程中报道过n 洲。有机基质虽然仅占贝壳重量的卜5 左右， 但正是这些有机大分子在c a c o ，晶体的形核、定向、生长和空间形态等方面的调控作用， 使贝壳具有多种多样的微结构n 0 1 1 0 2 1 。 1 3 1 2 贝壳材料的微结构 软体动物贝壳种类繁多，研究较多的是双壳纲、头足纲和腹足纲贝壳n 1 ，其中腹足 纲贝壳( g a s t r o p o d a ) 即海螺类是软体动物中最大的一纲，这也是本论文中主要研究的 贝壳种类。 腹足纲贝壳是单瓣的( 图1 1 ) ，其壳口通常在软体部缩回贝壳时，用一个门( 厣) 盖着。它的贝壳形态比其他纲贝壳形态复杂多异，由于体外多为一个螺旋形贝壳，故又 称单壳类或螺类，有些种类为完全无壳，腹足类的贝壳形态为分类的重要依据。使得腹 足纲贝壳区别于其他所有软体动物的一个过程就是扭转( t o r s i o n ) ，其中右旋占绝对 优势。在螺类发育的最早阶段，它们的身体按照常规程序被组织起来，这和其他软体动 几种腹足纲贝壳的结j 訇和性能 物一样。然而幼体阶段的扭转过程改变了这一组织方式。经过狭窄腰部的扭曲，外套 腔的开u 转而位于头上方，而小是后方。 胚壳 体螺环 壳口边缘 妒! 图11 艘足纲叭壳的外部形貌 f i g lit h ea p p e l l e eo f t h eg a s t r o p o d am o l l u s ks h e l 双壳纲( b 1 v a l v i a ) 贝壳有两瓣组成，左右各瓣，在背部，通过个弹性韧带棚 连。它的关闭和开台丰要是依靠两个把两瓣壳内而相连的闭壳肌的收缩束完成的，对于 双壳纲贝壳的研究最为深入和广泛。 目前在对贝壳材料的研究中发现至少存在七类微结构形式“2 ”“，常见的有五种，其 中研究得较为广泛的有珍珠层结构、交叉叠片结构、棱柱屠结构三娄，它们可在姒壳中 同时出现，也可单独出现。 珍珠层主要存在于双壳纲和头足纲叭壳中，由纳米无机相的文石t o 有机相交替排列 成层状结构，板片状文石呈定向排列，其结晶学c 轴垂直于珍殊层面。珍珠层材料最大 的特征是具有较高的抗破裂韧性“。图1 2 是双壳类软体动物贝壳的结构以及珍珠层结 构示意目。双壳类的m 壳分为二层“”1 最外层是角质层，主要由硬化蛋白质组成，厚 度极薄：中州是棱丰中层，一般由方解石组成；内表层是珍珠层，文石型碳酸钙占珍珠层 组成的体积分数足9 5 ，蛋白质多糖占5 体积分数，形成有机无机交叉叠层、非常整齐 有序的结构。文石板片是珍珠层的最基本结构单元，般多呈六边彤、浑圆形、菱形及 不规则多边形等。文石板爿在二维方向排列成微层，进而形成了珍珠层。根据文石板片 堆砌方式的不同，珍珠层可分为两类”：砖墙型( b r lc kw a l l ) 和堆垛型( s t a c k u p ) ( 奠 图l2 b 所示) 。 大连理工大学博士学位论文 成藉壳巾堆坶 ( a ) 纵剖面示意图( b ) 珍珠层结构示意图a ：砖墙型：b ：堆垛型 图1 2 成年双壳类软体动物的结构示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cl o n g i t u d i n a ls e c t i o no fa d u l tm o l l u s k 砖墙型生长面上显示了典型的叠瓦式生长形貌，每一微层以类似步阶的方式互相重 叠，新生长的晶体沉积在步阶的边缘，晶体在横向上生长并逐渐与微层聚合而使微层结 构在横向上扩展。在纵剖面上，上下微层中的板片在中心位置无规则排列。 堆垛型的特点是新生的晶体形成于每一锥形堆垛的顶端，然后横向生长，同时更新 的晶体在顶端形成，较老的晶体在横向上继续生长使堆垛保持锥形形貌，横向生长最终 使邻近堆垛的晶体接触，这些晶体相接形成了珍珠层的微层。 关于交叉叠片结构n 5 1 在二十世纪初有研究者提出后就再没有引起重视，这种结构主 要存在于腹足纲贝壳中。它的主要组成是9 9 的c a c 0 3 和不到1 的有机质。直到1 9 8 9 年 l a r a i a 和h e u e r n l 0 1 两个人通过研究巨风螺，才使得关于交叉叠片结构的研究得以继续。 交叉叠片的结构如图1 3 所示，他们研究的巨风螺贝壳属于典型的腹足纲贝壳，由三层 文石纤维堆砌而成，每层交叉排列。 几种腹足纲贝壳的结构和性能 i 奠o l d 贯i a m e l i a 2 喇o l d e gl a m e l l a 3 啊o r d e rl 锄n d l a 图1 3 巨风螺三级交叉叠片结构 f i g 1 3t h et h r e eo r d e r so fl a m e l l a eo ft h eh i e r a c h i c a ls t r u c t u r eo ft h ec r o s s l a m e l l a rs t r o m b u sg i g a sc o n c h s h e l l 研究天然生物材料的分级结构将为新型复合材料的设计展示光辉的前景。利用复合 材料的分析手段和评价系统来研究天然生物材料的分级结构，建立合理的结构模型是今 后研究的一个重要方向。 1 3 1 3 贝壳材料中文石晶体的结晶学取向性 贝壳独特的结构必然对其晶体学取向有影响，而贝壳中文石晶体的方向、形状和尺 寸决定了贝壳的力学性能n 恻、生物矿化位置和机理。许多研究者均认为在贝壳中存在结 晶学取向陋7 h 儿，结晶学取向对于构建生物材料的微观模型以及仿生设计有着深远的意 义。 目前，一般认为珍珠层中文石晶体的c 轴垂直于珍珠层面，而a ，b 轴平行于层面。 w e i n e r n l 2 3 在研究贝类珍珠层中有机质时曾指出，文石板片的a 轴取向与不溶性有机基质 中的1 3 一几丁质纤维平行，而b 轴取向则与1 3 一折叠片层中丝心蛋白的多肽链平行。随着 研究的深入，已发现在双壳类及鲍鱼壳n 刀珍珠层的断面上，沿垂直于珍珠层面方向的 3 1 0 个文石板片的a ，b 轴排列方向基本相同而构成取向畴，同一畴内的文石结晶学方位 基本一致，在同一微层中相邻文石片的结晶学取向并非杂乱无章u ”1 ，而是彼此间转了很 小的角度。 s c h i f f e r 等人咖1 发现，矿物层间的有机基体中存在着大量直径为4 3 - - 4 9 n m 的孔隙， 这些孔隙即为矿物桥。矿物桥的存在不仅有利于无机离子和有机基质顺利通过，保证了 珍珠层生长过程中无机离子和有机基质的有效供给，同时这些孔道使微层间晶体的生长 不被打断，不需要重新形成晶核，确保了晶体生长的连续性及排列的规则性。由于矿物 层间的有机基体与同层晶体间的有机基体具有相同的结构，因此同层中的相邻晶体间也 一6 一 大连理工大学博士学位论文 存在矿物桥。通过矿物桥，有可能从一个单晶上长出两个或两个以上的晶体，这几个晶体 就具有了相同的取向。 对于c 轴的分布研究表明，堆垛型结构中的文石晶体基本都垂直于珍珠层面，而砌 砖型结构中文石晶体的c 轴不仅存在( 0 0 1 ) 择优取向，还存在少量c 轴与珍珠层面斜交 的晶体排列方式n 0 9 1 。张刚生阻2 1 在研究淡水三角帆蚌珍珠层时发现其文石板片除存在公认 的c 轴垂直珍珠层面外，还存在 0 1 2 3 轴垂直层面。显然，珍珠层的微结构与文石晶 体的取向性之间并不存在简单的对应关系。随着研究的深入，文石晶片间的取向关系己 得到初步了解，但对晶片内部的次级结构( 如一级、二级、三级的孪生结构) 的取向仍然 一无所知。文石晶片间内的取向性主要取决于其成核蛋白的组织程度，直接受软体动 物种类及其遗传特性的控制。因此结合有机基质功能的研究将有助于对文石晶片间内 结晶学定向的探讨。 1 3 2 贝壳类材料中的有机质 贝壳的形核和生长是受有机质调控的啪m 1 ，因此对贝壳有机质的研究是了解贝壳形 成机理的关键。自1 9 7 2 年c r e n s h a w 瑚3 首次采用e d t a 对薪蛤贝壳进行脱钙化处理，使 其有机基质较完整地保留了下来，开创了有机基质研究的新领域，从而将生物矿化的研 究引入到机理探索的层次。最近几年，贝壳分子生物学的研究使人们对贝壳中有机质的 成分和功能有了更深一步的了解啼2 j “1 1 5 】。 ( 1 ) 贝壳中的有机基质组成及功能 有机质在贝壳中的含量随贝壳种类及贝龄而变化，一般占壳重的0 3 5 。x 一 射线衍射及核磁共振技术研究表明，贝壳的有机基质通常可分为五层嘲，其中心是由两 层富含g l y 和a l a 的疏水性蛋白质夹一b 几丁质薄层所构成，疏水核心两侧为富含a s p 和g 订1 的亲水性蛋白质，与矿物紧密相连 。通常根据溶解性将其分为可溶性有机基 质( s m ) 和不溶性有机基质( i m ) 。s m 为糖蛋白( g l y c o p r o t e i n ) 、磷蛋白( p h o s p h o p r o t e i n ) 及一些简单蛋白质组成的异相混合物，其蛋白含量约占6 0 以上，次为磷酸盐，在不同 种类壳中含量从1 3 0 不等( 一般1 2 ) ，硫酸盐为0 1 5 ，碳水化合物约0 6 n 埔。1 1 引。 s m 中的磷酸基团与丝氨酸和苏氨酸相结合，硫酸基团与多糖部分已糖胺( h e x o s a m i n e ) 相 连n 1 8 1 。s m 在晶体的成核、定向、生长、形态控制等方面起调控作用，同时可能还具有 控制离子运输的功能。 贝壳中的i m 相对分子量大得多，即使在强酸强碱的作用下也不会完全溶解n 1 引，现 有研究结果一般认为i m 主要由蛋白质和少量碳水化合物( 几丁质) 组成，在一些贝壳中 i m 完全由蛋白质组成，不存在几丁质或几丁质的含量很低n 驯。i m 则主要作为生物矿化的 几种腹足纲贝壳的结构和性能 构架蛋白，为晶体的核化、生长提供结构支撑n 2 。现代分子生物学研究表明珍珠层中主 要的单体蛋白质种类繁多，结构功能多样。在i m 中同样含有酸性基团，一般不同种类 动物珍珠层中的蛋白质不具可比性，只有在极少数相近的种属间有一定的可比性。自9 0 年代中期以来，为了阐明有机基质在贝壳晶核形成、生长及晶型控制等方面的作用，研 究者己将目光主要集中在有机基质中蛋白质序列结构和功能方面的研究。1 9 9 6 年日本 k i n k i 大学的m i y a m o t o n 翻首次采用现代分子生物学方法获得珍珠层中完整结构的蛋白 质序列，对蛋白质的一级结构进行了系统的研究。其后许多研究者运用现代生物学方法 对有机基质中蛋白质序列、结构和功能等方面进行了研究n 2 3 1 剐，研究表明部分蛋白质分 子可通过氨基末端和内部序列来表征，由这些蛋白质的基因表征和回推，可对研究其中 某种特定的蛋白质分子对贝壳的具体形成机理提供了依据。 ( 2 ) 贝壳中蛋白质与碳酸钙的相互作用及生物矿化作用 研究者们采用体外仿生矿化实验来模拟贝壳中蛋白质与碳酸钙的相互作用，即直接 从贝壳不同碳酸钙多型的壳层中分离出蛋白质进行体外诱导碳酸钙结晶实验，进而推断 生物体内珍珠层的形成机理h 州9 韶杈瓣1 3 3 1 。 贝壳生物矿化过程是生物有机大分子指导无机晶体的晶核形成、定向、形态及晶体 生长动力学的过程n 3 卜1 3 8 1 ，其研究的核心问题在于有机大分子如何控制无机晶体的成核、 生长、形貌以及定位，并最终决定生物矿物的微观结构。这种控制作用是一个非常复杂 的过程，几乎无规律可言。目前对于有机大分子控制无机晶体的这种作用称为分子识别， 在有机化学领域，分子识别的概念早己建立，但将其引入生物矿化研究领域只是最近十 年的事情，其中有机相一无机相界面分子识别的过程也是贝壳生物矿化研究中最为薄弱 的方面。 目前，通常认为生物矿化中的有机相一无机相分子识别中的互补性与以下几方面有 关n 她1 4 们：1 ) 晶格几何匹配，有机基质表面结构和无机晶体的晶格尺寸匹配；2 ) 静电势 相互作用，有机基质表面的带电基团与无机离子之间的静电作用；3 ) 立体化学互补；4 ) 极性；5 ) 空间对称性；6 ) 基质形貌。 研究者采用从贝壳中萃取的蛋白质混合物进行体外诱导碳酸钙的结晶实验，无论i m 来自棱柱层或是珍珠层，i m 一般只能诱导方解石多型的结晶：来自珍珠层的i m + s m 一般 能诱导文石多型的结晶；来自棱柱层s m 只能诱导方解石结晶，来自珍珠层的s m 则可能 诱导出纯文石多型m 1 、方解石+ 文石及纯方解石的结晶n 3 刳，具体多型视贝壳种类的不同 而不同。因此，珍珠层的s m 是控制珍珠层中文石多型形成的必要因素，但不是充分的 因素，i m 是否