‘Sharkitecture:’ Een nanoschaalkijker in het skelet van een Blacktip Shark

Haaien evolueren al meer dan 450 miljoen jaar en ontwikkelen skeletten niet van bot, maar uit een stoere, gemineraliseerde vorm van kraakbeen. Deze wezens zijn meer dan alleen snelle zwemmers – ze zijn gebouwd voor efficiëntie. Hun stekels werken als natuurlijke bronnen, het opslaan en vrijgeven van energie bij elke tailbeat, waardoor ze door het water kunnen bewegen met gladde, krachtige genade.

Nu turen wetenschappers in haaienskeletten op nanoschaal en onthullen een microscopische “sharkitectuur” die deze oude top -roofdieren helpt extreme fysieke eisen van constante beweging te weerstaan.

Met behulp van Synchrotron X-Ray Nanotomography met gedetailleerde 3D-beeldvorming en in-Situ mechanische testen, onderzoekers van het Charles E. Schmidt College of Science en het College of Engineering and Computer Science aan de Florida Atlantic University, in samenwerking met de Duitse elektron Synchrotron (Desy) in Duitsland en NOAA-vissen, hebben de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur (CARCARHINUS) in de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur van de interne structuur. ongekende details.

Resultaten van het onderzoek, gepubliceerd in ACS nanoonthullen twee verschillende regio’s in het gemineraliseerde kraakbeen van de Blacktip Shark: het Corpus Calcareum en de Intermediale. Hoewel beide zijn samengesteld uit dicht opeengepakte collageen en bioapatiet, verschillen hun interne structuren aanzienlijk.

In beide regio’s zijn gemineraliseerde platen gerangschikt in poreuze structuren, versterkt door dikke stutten die het skelet helpen bij het weerstaan ​​van spanning uit meerdere richtingen – een kritische aanpassing voor haaien, waarvan het constante zwem herhaalde stress op de wervelkolom.

Op nanoschaal zagen onderzoekers kleine naaldachtige bioapatietkristallen-een mineraal dat ook in menselijke botten wordt gevonden-afgestemd op collageenstrengen. Deze ingewikkelde structuur geeft het kraakbeen verrassende sterkte, terwijl het nog steeds flexibiliteit mogelijk is.

Nog intrigeerder, ontdekte het team spiraalvormige vezelstructuren voornamelijk gebaseerd op collageen, waarbij een geavanceerd, gelaagd ontwerp is geoptimaliseerd om te voorkomen dat scheuren zich verspreiden. Onder stam werken vezels en minerale netwerken samen om kracht te absorberen en te verdelen, wat bijdraagt ​​aan de veerkracht en flexibiliteit van de haai.

“Nature builds remarkably strong materials by combining minerals with biological polymers, such as collagen—a process known as biomineralization. This strategy allows creatures like shrimp, crustaceans and even humans to develop tough, resilient skeletons,” said Vivian Merk, Ph.D., senior author and an assistant professor in the FAU Department of Chemistry and Biochemistry, the FAU Department of Ocean and Mechanical Engineering, and the FAU Department van biomedische engineering.

“Haaien zijn een opvallend voorbeeld. Hun mineraalversterkte stekels werken als bronnen, buigen en opslaan van energie terwijl ze zwemmen. Door te leren hoe ze zulke moeilijke maar aanpasbare skeletten bouwen, hopen we het ontwerp van de volgende generatie materialen te inspireren.”

In experimenten die mechanische stress toepassen op microscopische monsters van haaienwervels, zagen de onderzoekers kleine vervormingen – minder dan een micrometer – na een enkele cyclus van uitgewerkte druk. Interessant is dat fracturen pas plaatsvonden na een tweede laadronde en in een enkel gemineraliseerd vlak waren opgenomen, waardoor de ingebouwde weerstand van het materiaal tegen catastrofaal falen hint.

“Na honderden miljoenen jaren van evolutie kunnen we nu eindelijk zien hoe haaienkraakbeen op nanoschaal werkt-en van hen leren”, zei Marianne Porter, Ph.D., co-auteur en universitair hoofddocent aan de FAU Department of Biological Sciences.

“We ontdekken hoe kleine minerale structuren en collageenvezels samenkomen om een ​​materiaal te creëren dat zowel sterk als flexibel is, perfect aangepast voor het krachtige zwemmen van een haai. Deze inzichten kunnen ons helpen betere materialen te ontwerpen door de blauwdruk van de natuur te volgen.”

Gevonden in warme, ondiepe kustwateren wereldwijd, zijn blacktiphaaien strak, snel schommelende roofdieren die bekend staan ​​om hun ongelooflijke behendigheid en snelheid en reiken tot 20 mijl per uur. Een van de meest opvallende gedragingen die ze vertonen is springen en uit het water draaien, vaak tijdens het voeden – een acrobatische beweging die bijdraagt ​​aan hun mystiek.

Dit onderzoek verbetert niet alleen het biomechanische begrip van haaienskeletten, maar biedt ook waardevolle inzichten voor ingenieurs en materiaalwetenschappers.

“Dit onderzoek benadrukt de kracht van interdisciplinaire samenwerking”, zegt Stella Batalama, Ph.D., decaan van het College of Engineering and Computer Science.

“Door ingenieurs, biologen en materialenwetenschappers samen te brengen, hebben we ontdekt hoe de natuur sterke maar flexibele materialen bouwt. De gelaagde, vezelversterkte structuur van kraakbeen van haaien biedt een aantrekkelijk model voor krachtige, veerkrachtig ontwerp, dat belofte heeft voor het ontwikkelen van geavanceerde materialen van medische implantaten tot impact-resistent versnelling.”

Studieco-auteurs zijn Dawn Raja Somu, Ph.D.; en Steven A. Soini, Ph.D., twee recente Ph.D. afgestudeerden van het Charles E. Schmidt College of Science; Ani Briggs, een voormalige student aan het FAU College of Engineering and Computer Science; Kritika Singh, Ph.D.; en Imke Greving, Ph.D., wetenschappers bij Outstations of the Desy Petra III X-Ray Light Source beheerd door Helmholtz-Zentrum hierop; en Michelle Passerotti, Ph.D., een onderzoeksbioloog bij NOAA Fisheries.