摘要：使用详细的3D成像和原位机械测试的同步加速器X射线纳米学摄影，研究人员在纳米级的鲨鱼骨骼内凝视，揭示了微小的“鲨鱼结构”，可帮助这些古老的顶点捕食者可抵御恒定运动的极端物理需求。经过数亿年的发展，科学家现在可以最终看到鲨鱼软骨在纳米级的工作方式，并向它们学习。...
鲨鱼已经发展了超过4.5亿年，不是从骨骼中发展出来的骨骼，而是通过坚硬的矿物化形式的软骨形式发展。这些生物不仅仅是快速的游泳者 - 它们是为了效率而建造的。他们的脊椎像天然弹簧一样，在每个尾巴上储存和释放能量，使它们能够以光滑，强大的宽限期在水中移动。
现在，科学家在纳米级的鲨鱼骨骼内凝视，揭示了一个微观的“鲨鱼结构”，可帮助这些古老的顶点捕食者承受恒定运动的极端物理需求。
Using synchrotron X-ray nanotomography with detailed 3D imaging and in-situ mechanical testing, researchers from the Charles E. Schmidt College of Science and the College of Engineering and Computer Science at Florida Atlantic University, in collaboration with the German Electron Synchrotron (DESY) in Germany, and NOAA Fisheries, have mapped the internal structure of blacktip sharks (Carcharhinus limbatus) in前所未有的细节。
该研究的结果发表在ACS纳米，揭示黑色鲨鱼矿化软骨中的两个不同区域：钙质和中间。尽管两者都是由密集的胶原蛋白和生物磷灰石组成的，但它们的内部结构有很大差异。在这两个区域中，矿化板都在多孔结构中排列，由厚的支撑杆加强，有助于骨骼从多个方向承受应变 - 对鲨鱼的临界适应性，其持续的游泳会在脊柱上重复压力。
在纳米级，研究人员观察到细小的针状生物磷灰石晶体 - 在人骨骼中也发现了一种矿物质 - 与胶原蛋白链对齐。这种错综复杂的结构使软骨令人惊讶的强度，同时仍然允许弹性。
更有趣的是，团队发现了主要基于胶原蛋白的螺旋纤维结构，该结构提出了优化的精致，分层的设计，以防止裂纹扩散。在应变下，纤维和矿物网络共同努力吸收和分发力，从而有助于鲨鱼的韧性和灵活性。
“大自然通过将矿物质与生物聚合物（例如胶原蛋白（一种称为生物矿化的过程）结合在一起）来建立强大的材料。该策略使虾，甲壳类动物甚至人类等生物可以发展坚硬，韧性的骨骼，” Vivian Merk，Ph.D.，Ph.D.，Ph.D.，Ph.D.，Ph.D. FAU生物医学工程系。 “鲨鱼是一个醒目的例子。它们的矿物质增强的刺是像弹簧一样工作，在游泳时弯曲和存储能量。通过学习如何建造如此坚固而适应能力的骨骼，我们希望激发下一代材料的设计。”
在单个施加压力周期之后，研究人员在鲨鱼椎骨的微观样品上使用机械应力的实验观察到了微小的变形 - 小于千分尺。有趣的是，裂缝仅在第二轮加载后发生，并包含在一个矿化平面中，暗示了该材料内置的灾难性衰竭性。
“经过数亿年的进化，我们现在可以终于看到鲨鱼软骨在纳米级的工作方式，并向它们学习，” FAU生物科学系的合着者兼副教授Marianne Porter博士说。 “我们发现，微小的矿物结构和胶原蛋白纤维如何组合在一起，以创建一种既有且灵活的材料，非常适合鲨鱼的强大游泳。这些见解可以通过遵循自然的蓝图来帮助我们设计更好的材料。”
在全球温暖的沿海水域中发现，黑脚鲨是光滑的，快速的捕食者，以其令人难以置信的敏捷性和速度而闻名，每小时可达20英里。他们表现出的最引人注目的行为之一是在喂食期间从水中跳下来，这是一种杂技，这增加了他们的神秘感。
这项研究不仅增强了对鲨鱼骨骼的生物力学理解，而且还为工程师和材料科学家提供了宝贵的见解。
工程与计算机科学学院院长Stella Batalama博士说：“这项研究强调了跨学科合作的力量。” “通过将工程师，生物学家和材料科学家汇集在一起，我们发现了自然如何建立强大而灵活的材料。鲨鱼软骨的分层，纤维增强的结构为高性能，弹性设计提供了令人信服的模型，这有望从医用植入物中开发出高级材料，以影响耐药的齿轮。”
研究合着者是Dawn Raja Somu，博士。和史蒂文·A·（Steven A. Soini）博士，最近两位博士学位查尔斯·施密特理学院的毕业生； Ani Briggs是FAU工程与计算机科学学院的前本科生； Kritika Singh博士；和Imke Greving，博士，Desy Petra III X射线光源的科学家，由Helmholtz-Zentrum以下运营； NOAA渔业的研究鱼类生物学家Michelle Passerotti博士。
这项研究得到了默克授予的国家科学基金会（NSF）赠款的支持； NSF职业奖，授予波特；以及FAU工程与计算机科学与FAU感应研究所（I-Sense）的种子资金。收购传输电子显微镜得到了美国国防部仪器/设备授予的授予默克的支持。
