Минерализованные ткани - Mineralized tissues

Минерализованные ткани: морская губка , ракушки , раковина , дентин , радиолярий , рог , кость.

Минерализованные ткани - это биологические ткани, которые включают минералы в мягкие матрицы. Обычно эти ткани образуют защитный экран или структурную опору. Кость, раковины моллюсков , глубоководная губка Euplectella , радиолярии , диатомовые водоросли , роговая кость, сухожилие , хрящ , зубная эмаль и дентин - вот некоторые примеры минерализованных тканей.

Эти ткани были точно настроены для улучшения их механических возможностей за миллионы лет эволюции. Таким образом, минерализованные ткани были предметом многих исследований, поскольку есть чему поучиться у природы, как это видно из растущей области биомиметики . Замечательная структурная организация и инженерные свойства делают эти ткани желательными кандидатами для искусственного дублирования. Минерализованные ткани вдохновляют на миниатюризацию, адаптируемость и многофункциональность. В то время как природные материалы состоят из ограниченного числа компонентов, можно использовать большее разнообразие химического состава материалов для моделирования тех же свойств в инженерных приложениях. Тем не менее, успех биомиметики заключается в полном понимании характеристик и механики этих биологических твердых тканей до замены природных компонентов искусственными материалами для инженерного проектирования.

Минерализованные ткани сочетают в себе жесткость, малый вес, прочность и жесткость благодаря присутствию 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 в нескольких масштабах длины, от макро до микро и нано, что приводит к рассеянию энергии внутри устройства. Следовательно, эти шкалы или иерархические структуры способны распределять повреждения и противостоять растрескиванию. Два типа биологических тканей стали объектом обширных исследований, а именно перламутр из раковин моллюсков и кости, которые являются высокоэффективными природными композитами. Для характеристики этих тканей используются многие механические методы и методы визуализации, такие как наноиндентирование и атомно-силовая микроскопия. Хотя степень эффективности биологических твердых тканей еще не превосходит любые искусственные керамические композиты, 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 - важный процесс для понимания того, как возникают эти заболевания.


Часть серии, связанной с
Биоминерализация
Общий
Экзоскелеты (снаряды)
Эндоскелеты ( кости )
Зубы, чешуя, бивни и т. Д.
Геологические формы
Другой

Эволюция

Эволюция минерализованных тканей вызывает недоумение более века. Была выдвинута гипотеза, что первый механизм минерализации тканей животных начался либо в ротовом скелете конодонта, либо в дермальном скелете ранних бесчелюстных . Дермальный скелет - это просто поверхностный дентин и базальная кость, которая иногда покрывается эмелоидом. Считается, что кожный скелет в конечном итоге превратился в чешуйки, которые гомологичны зубам. Зубы впервые были замечены у хондрихтианов и состояли из всех трех компонентов дермального скелета, а именно дентина, базальной кости и эмелоида. Механизм минерализации тканей млекопитающих был позже разработан у актиноптеригов и саркоптеригов в ходе эволюции костных рыб. Ожидается, что генетический анализ бесчеловечных насекомых даст больше информации об эволюции минерализованных тканей и прояснит доказательства из ранних летописей окаменелостей.

Иерархическая структура

Иерархические структуры - это отличные черты, 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 видны во всех конструкционных материалах в биологии, таких как кости и перламутр из ракушек.

Перламутр

Перламутр имеет несколько иерархических структурных уровней.

Макромасштаб

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 - 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, содержащийся в перламутре, - это арагонит CaCO3, 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 несколько нитей более слабого материала, называемых линиями роста, которые могут отклонять трещины.

Микромасштаб

Microscale можно представить в виде трехмерной стены из кирпича и раствора. Кирпичи представляют 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.

Наноразмер

Граница раздела толщиной 30 нм между таблетками, которая соединяет их вместе, и зернами арагонита, обнаруженными с помощью сканирующей электронной микроскопии, из которых сами таблетки сделаны вместе, представляет собой другой структурный уровень. Органический материал, «склеивающий» таблетки, состоит из белков и хитина .

Подводя итог, можно сказать, что на макроуровне оболочка, ее два слоя ( перламутр и кальцит ) и более слабые нити внутри перламутра представляют собой 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 перламутра.

Кость

Подобно перламутру и другим минерализованным тканям, кость имеет иерархическую структуру, которая также образована самосборкой более мелких компонентов. Минерал в кости (известный как костный минерал ) - это гидроксиапатит с большим количеством карбонат-ионов, в то время как органическая часть состоит в основном из коллагена и некоторых других белков. Иерархическая структура кости охватывает трехуровневую иерархию 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.

Макромасштаб

Компактная кость и губчатая кость имеют размер от нескольких миллиметров до 1 и более сантиметров.

Микромасштаб

На микромасштабе есть две иерархические структуры. Первый в масштабе от 100 мкм до 1 мм находится внутри компактной кости, где можно различить цилиндрические элементы, называемые остеонами и небольшими распорками. Вторая иерархическая структура, ультраструктура в масштабе от 5 до 10 мкм, представляет собой фактическую структуру остеонов и небольших подкосов.

Наноразмер

На наноуровне также есть две иерархические структуры. Первая - это структура внутри ультраструктуры, которая представляет собой фибриллы и внефибриллярное 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.

Минеральный компонент

Минерал - неорганический компонент минерализованных тканей. Эта составляющая делает ткани более твердыми и жесткими. Гидроксиапатит , карбонат кальция , диоксид кремния , оксалат кальция , витлокит и мононатрий урат являются примерами минералов, обнаруженных в биологических тканях. В раковинах моллюсков эти минералы переносятся к месту минерализации в пузырьках внутри специализированных клеток. Хотя они находятся в аморфной минеральной фазе внутри пузырьков , минерал дестабилизируется, когда 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.

Органический компонент

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 тканей . Однако без этой органической части биологический материал был бы хрупким и легко ломался . Следовательно, органический компонент минерализованных тканей увеличивает их прочность . Более того, многие белки являются регуляторами процесса минерализации. Они действуют при зародышеобразовании или 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 фосфофорин дентина . В перламутре органический компонент пористый, что позволяет образовывать минеральные мосты, ответственные за рост и упорядочение перламутровых таблеток.

Формирование полезных ископаемых

Понимание формирования биологических тканей неизбежно, чтобы правильно их реконструировать искусственно. Даже если в некоторых аспектах остаются вопросы и еще предстоит определить механизм минерализации многих минерализованных тканей, есть некоторые представления о панцирях моллюсков, костях и морских ежах.

Раковина моллюска

Основными структурными элементами, участвующими в процессе формирования раковины моллюска, являются: гидрофобный шелковый гель, белок, богатый аспарагиновой кислотой, и хитиновая основа . 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 высоко упорядоченный и является основой матрицы. Основными элементами комбинезона являются:

  1. Шелковый гель заполняет матрицу, подлежащую минерализации до того, как произойдет минерализация.
  2. Высокоупорядоченный хитин определяет ориентацию кристаллов.
  3. Компоненты матрицы пространственно различимы.
  4. Аморфный карбонат кальция - первая форма минерала.
  5. Когда на матрице начинается зародышеобразование , карбонат кальция превращается в кристаллы.
  6. Пока кристаллы растут, некоторые кислые белки попадают в них.

Кость

В кости минерализация начинается с неоднородного раствора, содержащего ионы кальция и фосфата. Минерал зарождается внутри области отверстия 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 состоят 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

Морского ежа эмбриона широко используется в развитии исследований по биологии. Личинки образуют сложный эндоскелет , состоящий из двух спикул . Каждая из спикул представляет собой монокристалл минерального кальцита . Последнее является результатом превращения аморфного СаСО 3 в более стабильную форму. Таким образом, в формировании спикул личинки присутствуют две минеральные фазы.

Органико-неорганический интерфейс

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 упрочняющих свойств.

На границе раздела необходима очень большая сила (> 6-5 нН), чтобы оттолкнуть белковые молекулы от минерала арагонита в перламутре, несмотря на то, что молекулярные взаимодействия не связаны. В некоторых исследованиях проводится анализ модели методом 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, неровности нанометрового размера на поверхности таблеток обеспечивают сопротивление межламеллярному скольжению и, таким образом, укрепляют материал. Исследование топологии поверхности показало, что прогрессирующая блокировка и упрочнение таблеток, которые необходимы для распространения больших деформаций на большие объемы, происходят из-за волнистости таблеток.

Больные минерализованные ткани

У позвоночных минерализованные ткани не только развиваются в результате нормальных физиологических процессов, но также могут участвовать в патологических процессах. Некоторые пораженные участки, которые включают появление минерализованных тканей, включают атеросклеротические бляшки, опухолевый кальциноз , ювенильный дерматомиозит , камни в почках и слюне . Все физиологические отложения содержат минерал гидроксиапатит или аналогичный ему. Такие методы визуализации, как инфракрасная спектроскопия , используются для получения информации о типе минеральной фазы и изменениях минерального и матричного состава, вызывающих заболевание. Кроме того, кластические клетки - это клетки, которые вызывают резорбцию минерализованной ткани . Если наблюдается дисбаланс обломочной клетки, это нарушит резорбтивную активность и вызовет заболевания. Одно из исследований с участием минерализованных тканей в стоматологии посвящено минеральной фазе дентина , чтобы понять, как она изменяется 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, возможно, можно найти 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).

Биоинспирированные материалы

Привлекательные свойства минерализованных тканей, таких как перламутр и кость, привели к созданию большого количества биомиметических материалов. Хотя можно сделать улучшения, существует несколько методов имитации этих тканей. Здесь описаны некоторые из современных техник имитации перламутра.

Масштабные «модельные материалы»

Крупномасштабная модель материалов основана на том факте, что прогиб трещин является важным механизмом упрочнения перламутра. Это отклонение происходит из-за слабых поверхностей раздела плиток арагонита . Системы на макроскопических масштабах 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 больших масштабах.

Ледяной шаблон

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 напыление

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 . В композитах , сделанные этот последовательный метод осаждения не имеют сегментированную слоистую микроструктуру. Таким образом, для преодоления этого ограничения была предложена последовательная адсорбция, которая состоит из многократной адсорбции электролитов и ополаскивания таблеток, что приводит к образованию многослойных слоев.

Нанесение тонких пленок: микроструктуры

Осаждение тонких пленок направлено на воспроизведение поперечно-пластинчатой ​​микроструктуры раковины вместо имитации слоистой структуры перламутра с использованием микроэлектромеханических систем (MEMS) . Среди раковин моллюсков раковина имеет самую высокую степень структурной организации. Минерал арагонит и органическая матрица заменены поликремнием и фоторезистом . 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.

Самостоятельная сборка

Метод самосборки 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 зарождение 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 в керамической фазе без ее разрушения. Как следствие, этот метод не имитирует микроструктурные характеристики перламутра за пределами слоистой органической / неорганической слоистой структуры и требует дальнейшего изучения.

Будущее

Различные исследования увеличили прогресс в понимании минерализованных тканей. Однако до сих пор неясно, какие микро / наноструктурные особенности важны для характеристик материала этих тканей. Также в настоящее время отсутствуют конституционные законы для различных путей загрузки материалов. В случае перламутра роль некоторых нанозерен и минеральных мостиков требует дальнейших исследований для полного определения. Успешное биомимитирование 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.

Смотрите также

использованная литература

Библиография