【讀者投書】探索奈米鳥類蛋殼 生物材料的新前景

作者/林姿伶(研究助理)

雞蛋的外層是礦化的蛋殼,內層覆蓋著柔軟的纖維膜,它包裹著雞蛋的胚胎,有助於小雞胚胎的生長。這一結構提供了堅固的保護機制,防止細菌入侵和捕食者的侵害。這樣的軟硬材料結構整合,將有助於推動材料科學生物工程的進步,作為為醫療重建手術等領域之應用。該研究最近發表在《iScience》。

示意圖:123RF

蛋殼和纖維膜之間的結合非常牢固。為了揭開膜殼附著的形態和連接方式之細節,加拿大麥基爾大學(McGill University)的研究人員透過光學顯微鏡、掃描式電子顯微鏡 (SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)等3D成像技術,捕捉數百到數千張影像,然後將其組裝成詳細的3D模型。再透過深度學習技術,探索纖維膜如何嵌入到微米級的蛋殼礦物中。

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研究人員發現,在雞蛋發育的某個階段,蛋殼會形成微小的奈米級尖銳突起物,這些尖銳突起物會穿透蛋殼並插入蛋殼內部纖維膜的表面,增加纖維膜和蛋殼之間的接觸面積,從而加強蛋殼和纖維膜之間的連接。研究人員認為這些尖銳突起物可以固定住濕潤的蛋白纖維,防止纖維膜在蛋殼內滑動。其機制是讓微米級纖維膜與礦物質相連,而奈米級礦物質則滲透到纖維中,從而實現兩種不同材料之間的牢固、安全附著。

研究人員結合低溫樣品製備方法和電子成像、衍射以及光譜映射技術,證明蛋殼膜纖維的外部表面(函)和內部區域(核心)的礦物質沉積或結晶化過程,確實在纖維與殼相互交叉或嵌入殼內的特定情況下自然發生,也更進一步地了解到殼膜界面是堅固、安全以及健康雞蛋的重要特徵。透過建立維持或最大化這種界面結構的商業遺傳育種計劃,可以減少食用雞蛋生產商和家禽飼養者的損失。

值得一提的是,這些發現可以帶來新的工程混合複合材料方法設計,改善各種醫療和牙科重建手術結果。舉例說明,運動員為了修復撕裂韌帶(尤其是前十字韌帶)的手術,常因首次的重新連接未能成功而必須接受多次手術,這突顯出目前在將軟物體固定到硬物體上時所面臨的困難。有了對於蛋殼和纖維膜之間相互作用的深入了解,科學家和醫學專業人士將能夠開發出更有效的手術技術和材料,以提高韌帶修復手術的成功率,從而幫助患者更快地康復並減少再次手術的需求。

資料來源:New AtlasThe TribuneMcGill

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