《Science》：科學(xué)家從軟體動(dòng)物牙齒中汲取經(jīng)驗(yàn)，提供3D打印先進(jìn)材料開發(fā)新途徑

2025年8月14日，南極熊獲悉，加州大學(xué)歐文分校、日本岡山大學(xué)和東邦大學(xué)的研究人員首次開展了一項(xiàng)研究，旨在了解石鱉（一種以生長在海濱巖石上的藻類為食的軟體動(dòng)物）如何進(jìn)化出如此堅(jiān)硬、耐磨且具有磁性的牙齒，這些成果有望應(yīng)用于3D打印等先進(jìn)制造業(yè)。

研究成果以題為“Radular teeth matrix protein 1directs iron oxide deposition in chiton teeth “的論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，將為電池、燃料電池催化劑和半導(dǎo)體等應(yīng)用領(lǐng)域的先進(jìn)材料的生產(chǎn)提供新的思路。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu0043

在這項(xiàng)研究中，研究小組揭示了石鱉特有的鐵結(jié)合蛋白R(shí)TMP1通過納米級(jí)小管（稱為微絨毛）運(yùn)輸?shù)叫律例X的過程。蛋白質(zhì)的沉積位置和時(shí)間受到精確控制，確保這些生物發(fā)育出堅(jiān)硬、強(qiáng)韌的牙齒結(jié)構(gòu)，使它們能夠進(jìn)行賴以生存的重復(fù)性磨牙運(yùn)動(dòng)。

論文合著者、加州大學(xué)歐文分校材料科學(xué)與工程教授大衛(wèi)·基塞勒斯（DavidKisailus）說道：“石鱉的牙齒由磁鐵礦納米棒和有機(jī)材料組成，不僅比人類牙釉質(zhì)更堅(jiān)硬，而且比高碳鋼、不銹鋼，甚至氧化鋯和氧化鋁——這些高溫制成的先進(jìn)工程陶瓷——還要堅(jiān)硬。石鱉每隔幾天就會(huì)長出新牙齒，這些新牙齒的性能優(yōu)于工業(yè)切削工具、研磨介質(zhì)、牙科植入物、外科植入物和保護(hù)涂層中使用的材料，而且這些新牙齒是在室溫下制造的，并且精度達(dá)到納米級(jí)。我們可以從這些生物設(shè)計(jì)和過程中學(xué)到很多東西。”

全世界有超過900種不同的石鱉，大多棲息于潮間帶沿海地區(qū)。它們可以在加州大學(xué)歐文分校附近的水晶灣和拉古納海灘等地找到，但Kisailus表示，這項(xiàng)研究調(diào)查的石鱉體型更大，生活在美國西北沿海地區(qū)和日本北海道外海。Kisailus表示，研究小組發(fā)現(xiàn)RTMP1蛋白存在于世界各地不同地點(diǎn)的石鱉中，這表明“存在某種趨同的生物設(shè)計(jì)來控制氧化鐵的沉積”。

Kisailus表示，當(dāng)他和同事們開始研究時(shí)，并不清楚這些鐵結(jié)合蛋白是如何以及何時(shí)被輸送到石鱉牙齒中的。但通過結(jié)合先進(jìn)的材料和分子生物學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)這些最初存在于未成熟、未礦化牙齒周圍組織中的特殊蛋白質(zhì)，通過納米結(jié)構(gòu)的小管被輸送到每顆牙齒中。

一旦進(jìn)入牙齒內(nèi)部，蛋白質(zhì)就會(huì)與預(yù)先組裝的幾丁質(zhì)納米纖維支架結(jié)合。幾丁質(zhì)納米纖維是一種結(jié)構(gòu)性生物聚合物，控制著牙齒中磁鐵礦納米棒的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，儲(chǔ)存在鐵蛋白（另一種存在于牙齒外部組織中的蛋白質(zhì)）中的鐵會(huì)被釋放到每顆牙齒中，并與RTMP1結(jié)合，形成納米級(jí)氧化鐵的精確沉積。氧化鐵在牙齒成熟過程中持續(xù)生長，形成高度排列的磁鐵礦納米棒，最終形成超硬牙齒。

這張四聯(lián)研究圖像的左上角顯示，這只石鱉體長超過20厘米。右上排中間的面板展示了石鱉的下側(cè)，它的嘴巴（口腔）張開，突顯了石鱉嘴里排列的超硬、啃食巖石的牙齒（最右側(cè)面板）。左下角的面板展示了石鱉牙齒從淺色到深色的演變過程，較深的顏色表示牙齒材料中存在硬化的氧化鐵，而這一過程正是本研究的重點(diǎn)。David Kisailus / 加州大學(xué)歐文分校

基塞盧斯表示，本項(xiàng)目提高了人類對(duì)細(xì)胞鐵代謝的理解，同時(shí)為下一代先進(jìn)材料的合成提供了見解。他說：“這些生物每隔幾天就會(huì)長出一組新牙齒，這不僅使我們能夠研究牙齒內(nèi)精確的納米級(jí)礦物質(zhì)形成機(jī)制，也為我們提供了新的機(jī)遇，使我們能夠在空間和時(shí)間上控制合成其他材料，用于電池、燃料電池催化劑和半導(dǎo)體等廣泛的應(yīng)用。這包括增材制造的新方法——3D打印——以及更加環(huán)保和可持續(xù)的合成方法。”

基塞盧斯表示，這項(xiàng)研究的獨(dú)特之處在于融合了最先進(jìn)的材料科學(xué)技術(shù)，包括超高分辨率電子顯微鏡、X 射線分析和光譜，以及免疫熒光、基因表達(dá)追蹤和 RNA 干擾等生物學(xué)方法，揭示了石鱉牙齒形成的完整分子編排。

基薩盧斯說：“通過全球共同努力，我們將生物科學(xué)和材料科學(xué)方法結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)了地球上最堅(jiān)硬、最強(qiáng)的生物材料之一是如何從頭開始構(gòu)建的?！?/div>

本項(xiàng)目的合作者包括岡山大學(xué)的 Michiko Nemoto、Koki Okada、Haruka Akamine、Yuki Odagaki、Yuka Narahara、Kiori Obuse、Hisao Moriya 和 Akira Satoh 以及東邦大學(xué)的 Kenji Okoshi。美國空軍科學(xué)研究辦公室為 Kisailus 的此項(xiàng)貢獻(xiàn)提供了資金。