蜘蛛尖牙可能导致新型特殊材料的发展

蜘蛛的毒强

基于物质优势的捕食成功:库皮尼厄斯·萨莱,一种热带流浪蜘蛛,用它的毒牙穿透捕食昆虫的盔甲。毒牙由几丁质和蛋白质组成,就像猎物的角质层盔甲一样,但它们精确的化学成分和结构特别适合它们的功能。r·巴斯

从大自然中寻找技术灵感并不是什么新鲜事,现在一组科学家希望对蜘蛛毒牙及其材料的组成和结构的新见解,可能为优化类似的技术材料和设备提供灵感。

尽管蜘蛛的盔甲和它们捕食者的毒牙由相同的材料组成,但苍蝇、蚱蜢和其他昆虫作为蜘蛛的常见猎物,对蜘蛛的咬伤几乎没有防御能力。波茨坦的马克斯·普朗克胶体和界面研究所、哈雷的马克斯·普朗克微结构物理研究所和维也纳大学的研究人员发现,一种大型中美洲流浪蜘蛛的尖牙上的几丁质纤维被蛋白质排列和包围,使得这种材料特别坚硬,从而能够穿透猎物的角质层盔甲。由于其材料的组成和结构,毒牙成为优化和可重复使用的皮下针,向猎物注射麻痹毒液。对这种生物材料的新见解可以为优化类似的技术材料和设备提供灵感。

自然使用纤维增强材料的时间远远超过技术。节肢动物,如蛛形纲动物、昆虫和甲壳类动物所展开的护甲材料,即角质层,是由大量极细的几丁质纤维层组成。这些纤维与表面平行排列,通常嵌在蛋白质基质中。这种天然复合材料通过外骨骼不同部位的材料组成和形式的强烈变化,适应了其广泛的用途。纤维的排列和蛋白质的组成对材料的力学性能有至关重要的影响。

“对这种角质层盔甲的深入研究可以为更好的生物灵感材料设计提供许多新思路,”雅埃尔·波利提(Yael Politi)说,她和同事们曾近距离研究过这种蜘蛛。这种观点特别适用于像尖牙这样的结构,因为它们的重要功能,它们的“设计”显然在进化过程中受到了特别强大的压力。由于只有考虑到生物结构的自然功能,才能完全理解其技术上的完美,来自波茨坦和哈雷的马克斯·普朗克研究所的科学家们与弗里德里希·巴斯密切合作,他是维也纳大学的生物学家,也是蜘蛛方面的专家,在蜘蛛的感觉系统和生物力学方面有特别的专长。

丁蛋白纤维的布置影响了材料的性质

在他们的研究过程中,科学家们注意到,在骨架的其他部分的剧烈蜘蛛Cupiennius Salei中的围栏中的材料结构显然不同。具体地,他们观察到几丁质纤维以特定的方式布置。在特殊区域中,不同层中的纤维主要在咬合期间可以预期高应变轨迹的方向运行。这借给了芳般的机械阻力,因为几丁质纤维总是与其纵向轴线平行的,而不是垂直于其。“弗里德里希巴氏德国”弗里德里希巴斯(Friedrich Barth)发现了“最高程度的对准程度。

金属离子增加了尖牙的稳定性

牙尖的微电脑断层图像

以上:方尖的微型计算图像。橙色箭头指向毒液管的开口。以下:使用能量分散X射线光谱分析金属离子锌(红色)和氯化钙(蓝色)和氯化钙(绿色)的分布。虽然在芳的外层中发现锌和氯化物,但钙在其内部发生。在芳尖的中心也发现了锌的浓度增加。胶体和界面的MPI

毒液中的蛋白质基质也被针对其功能进行了优化。蛋白质的特征在于高化学变异性,因此可以容易地修改。蜘蛛在围栏中利用这一点,以在狩猎时在其猎物中获得材料技术优势。“显着地,牙齿尖端和外部有咬合层,其暴露于咬合期间的最高菌株,主要由蛋白质组成,”Friedrich Barth说。蛋白质组成从芳的底部变为其尖端,其中氨基酸组氨酸的浓度显着升高。组氨酸特别适合于用金属离子交联蛋白质。因为研究人员还在蛋白质基质中发现了锌和钙,所以它们假设芳尖蛋白质基质中的相邻纤维实际上是交联的。这使得尖端特别努力和僵硬。此外,稳定的蛋白质基质还有效地透射了在猎物的牙科铠装至几丁蛋白纤维中渗透期间产生的应力。

研究人员还确定氯离子被纳入蛋白质基质。“有趣的是,氯离子和每种金属离子的分布是不同的,”Yael Politi说。然而,氯离子的作用、元素的分布选择的标准,以及这如何影响毒牙的机械性能,仍然不清楚。

尽管如此,明确的是:“蜘蛛尖牙具有高度专业化的材料结构。物质性质从底座到方尖端的细灰度变化,外部层的外部层似乎是耐磨性的,“Yael Politi解释道。深入调查不同化学和结构变化,使得有咬合盔甲的材料特性能够适应特定的生物学功能,是研究人员的高度奖励目标。他们的工作可能会被证明是实际的好处。“我们在这里获得的知识可以为特殊形状和材料特性的特殊应用或皮下注射注射器的开发提供基础,为医疗应用的特殊形状和材料特性,”Politi说。

图片:R. Barth;胶体和界面的MPI

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