ΣΥΝΘΕΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (BIOMINERALS, BIOLOGICAL CERAMICS) -NACRE (μαργαρο, σεντεφι) -ΦΕΡΡΙΤΙΝΗ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ

Transcript

1 ΣΥΝΘΕΤΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (BIOMINERALS, BIOLOGICAL CERAMICS) -NACRE (μαργαρο, σεντεφι) -OΣΤΑ -ΔΟΝΤΙΑ -ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ -ΦΕΡΡΙΤΙΝΗ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ

2 Nacre (μαργαρο, σεντεφι) 95% Ανοργανη φαση=ανθρακικο ασβεστιο (αραγωνιτης, CaCO3) 5% οργανική φάση (πρωτεϊνες) 3000 φορες πιο ανθεκτικο στην θραυση από Τον καθαρο αραγωνιτη

3 Δομη του εσωτερικου των οστράκων

4 Δομη τυπου πλινθος και κονιαμα (brick and mortar)

5 Η οργανική φάση(πρωτεϊνες) καθορίζει με τρόπο επιταξικό την εναπόθεση της ανόργανης φάσης Δύο ειδών πρωτεϊνες: - Πρωτεϊνες που λειτουργούν σαν δομικό «πλαίσιο» με δομή βητα-πτυχωτών φύλλων - Πρωτεϊνες που χρησιμεύουν σαν σημεία πυρήνωσης των ανόργανων ιόντων (με μεγάλη περιεκτικότητα σε σερίνη και ασπαρτικό)

6 Η οργανική φάση καθορίζει με τρόπο επιταξικό την εναπόθεση της ανόργανης φάσης

7 Ποια είναι η χρησιμότητα μιας δομης τυπου «πλινθος και κονιαμα»? Παρένθεση 1: Μηχανισμοί διάδοσης των ρωγμών στα υλικά Φύλλο αλουμινίου

8 Παρένθεση 2: Μηχανισμοί διάδοσης των ρωγμών στα υλικά Υλικό στο οποίο έχουν δημιουργηθεί κενά

9 Παρένθεση 3: Μηχανισμοί διάδοσης των ρωγμών στα υλικά Υλικό στο οποίο εναλλάσσονται στρώσεις «σκληρού» και «μαλακού» υλικού

10 Ποια είναι η χρησιμότητα μιας δομης τυπου «πλινθος και κονιαμα»? Απάντηση: μηχανισμός περιορισμού της διάδοσης ρωγμών (crack arresting mechanism)

11 Μηχανικές ιδιότητες της πρωτεϊνικής φάσης Μελέτη με AFM (Atomic Force Microscopy)

12 Παρένθεση: μηχανικές μελέτες πρωτεϊνών με AFM Προσρόφηση της πρωτεϊνης σε επιφάνεια χρυσού και μέτρηση καμπύλης δύναμης (Force) / επιμήκυνσης (extension) Με ακίδα (tip)

13 H«πριονωτή» μορφή της καμπύλης αντιστοιχεί σε διαδοχικές «αποδιπλώσεις» των domains ενός Επιμήκους μορίου

14 Υπενθύμιση: ΤΡΙΤΟΤΑΓΗΣ ΔΟΜΗ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ ΔΟΜΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ Η ΕΠΙΚΡΑΤΕΙΕΣ(domains) -συμπαγείς περιοχές (30-40 αμινοξέα) που ενώνονται με εύκαμπτα τμήματα

15 Ηλεκτρονική μικροσκοπία εσωτερικού οστράκου πού μολις έχει σχισθεί διακρίνονται οι «τένοντες» πρωτεϊνης πού συνδέουν τις πλάκες της ανόργανης φάσης

16 Διαδοχικοί κύκλοι δύναμης / επιμήκυνσης μετρημένοι κατ ευθείαν στην επιφάνεια πού μολις έχει σχισθεί

17 Τι πλεονέκτημα προσφέρει στο υλικό H«πριονωτή» μορφή της καμπύλης?

18 Τι πλεονέκτημα προσφέρει στο υλικό H«πριονωτή» μορφή της καμπύλης? -1) το υλικό αντέχει πολλή δύναμη κατά την διάρκεια μεγάλης επιμήκυνσης -2) περισσότερη ενέργεια χρειάζεται για την τελική θραύση -3) οι «τομείς» ξανασχηματίζονται κατά την αποφόρτιση -4) το υλικό παρουσιάζει υστέρηση, άρα απορρόφηση ενέργειας

19 -Δομή των οστών Συσταση των οστων: Οργανική φάση (35%): Κολλαγονο (95%) +πρωτεογλυκανες (5%) Ανόργανη φάση (60-65%) : Βιοαπατιτης Ca 10 (P04) 6-x (OH) 2-y (CO3) x+y 6>x>0 2>y>0 +νερό

20 ΙΕΡΑΡΧΙΚΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΤΩΝ ΙΝΩΝ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ Κενό μεταξύ μορίων στην ίδια σειρά= 400 Å Μετατόπιση μορίων κατά σειρα =680 Å Η δομή επαναλαμβάνεται κάθε 5 σειρές Θέσεις πυρήνωσης υδροξυαπατίτη στο κενό μεταξύ μορίων?? Ca 10 (PO4) 6 (OH) 2

21 -Οι κρύσταλλοι του υδροξυαπατίτη αρχίζουν να σχηματίζονται στα διάκενα μεταξύ των ινών τροποκολλαγόνου και αυξάνονται μόνο κατά μια κατεύθυνση και παράλληλα με τον άξονα των ινών

22 -Οι κρύσταλλοι του υδροξυαπατίτη είναι παράλληλοι με τις ίνες του κολλαγόνου

23 Δομικη ιεραρχια των οστων

24 Μηχανικές ιδιότητες οστών Υλικο Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Οστά 20 Κολλαγόνο 1.2 Συνθετικο καουτσουκ Ναυλον 5 Kevlar 130 Ατσάλι υψηλής αντοχής 200

25 Μηχανικές ιδιότητες οστών Υλικο αντοχή, σ max (GPa) Οστά 0.16 Κολλαγόνο 0.12 Συνθετικο καουτσουκ 0.05 Ναυλον 0.95 Kevlar 3.6 Ατσάλι υψηλής αντοχής 1.5

26 Μηχανικές ιδιότητες οστών Υλικο εκτατικότητα, ε max Οστά 0.03 Κολλαγόνο 0.13 Συνθετικο καουτσουκ 8.5 Ναυλον 0.18 Kevlar Ατσάλι υψηλής αντοχής 0.008

27 Μηχανικές ιδιότητες οστών Υλικο ανθεκτικότητα (MJ/m 3 ) Οστά 4 Κολλαγόνο 6 Συνθετικο καουτσουκ 100 Ναυλον 80 Kevlar 50 Ατσάλι υψηλής αντοχής 6

28 Μηχανικές ιδιότητες οστών: Καμπύλη τάσης παραμόρφωσης Και σύγκριση με αυτήν του ατσαλιού

29 Μηχανικές ιδιότητες οστών σε σχέση με το ποσοστό ανόργανων συστατικών Ποσοστό ανόργανων Συστατικών έργο θραύσης μέτρο ελαστικότητας % κατά βάρος J/m 2 GPa 59, , 4 66, ,5 86, ,3

30 Δομή και σύσταση των δοντιων DEJ Αδαμαντίνη η σμαλτο (enamel) Σύνδεσμος αδαμαντίνης-οδοντίνης (DEJ, dental-enamel junction) Οδοντίνη (dentin) Πολφός (pulp) Ρίζες (roots) Οστέινη ουσία (dental cementum)

31 Δομή και σύσταση των δοντιων Αδαμαντίνη = 96 % υδροξυαπατιτης <1 % νερό 4% οργανικό υλικό Οδοντινη = 65 70% υδροξυαπατιτης ~ 15% νερό 20-24% οργανικό υλικό Οστέινη ουσία = 45-65% υδροξυαπατιτης 10-15% νερό 20-25% οργανικό υλικό

32 Δομή και σύσταση της αδαμαντίνης Αδαμαντινικά πρίσματα υδροξυαπατίτη πάχους 5 μ και μήκους μέχρι 2.5 mm (το μεγαλύτερο μήκος στα έμβια όντα)

33 Δομή και σύσταση της αδαμαντίνης Οργανικό υλικό της αδαμαντίνης: Η πρωτείνη αμελογενίνη (amelogenin) Πλούσια σε Pro, Leu, His, Gln, με υδρόφιλο C-terminus

34 Οργανικό υλικό της αδαμαντίνης: Η πρωτείνη αμελογενίνη (amelogenin) -Πλούσια σε Pro, Leu, His, Gln, με υδρόφιλο C-terminus -Σχηματίζει νανο-σφαιρες διαμέτρου ~20 nm με το υδρόφιλο άκρο στην επιφάνεια -οι σφαίρες αυτές χρησιμεύουν σαν θέσεις πυρηνογένεσης τωνκρυστάλλωντουαπατίτη -κατόπιν το υδρόφιλο ακρο αποκόπτεται απο πρωτεάσες Αύξηση του υδρόφοβου χαρακτήρα και περαιτέρω συσσωμάτωση Περαιτέρω ανάπτυξη των κρυστάλλων

35 Δομή και σύσταση της οδοντίνης Οργανικό υλικό της οδοντίνης: -Κολλαγόνο -Φωσφοπρωτεϊνες της οδοντίνης (Dentin phoshoproteins, DPP) -Πλούσια σε ασπαρτικό οξύ (35%) και φωσφοσερίνη Δέσμευση των φωσφοπρωτεϊνων στο κολλαγόνο έκθεση καρβοξυλικών και φωσφορικών ομάδων κατά μήκος των ινών του κολλαγόνου θέσεις πυρήνωσης υδροξυαπατίτη -πρωτεογλυκάνες

36 Αδαμαντίνη, οδοντίνη, και DEJ Η διεπιφάνεια μεταξύ αδαμαντίνης- οδοντίνης δεν είναι ομαλή σημαντικό για την συναρμογή δύο υλικών με διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες

37 Μηχανικές ιδιότητες των δοντιών μέτρο ελαστικότητας (GPa) σκληρότητα (Mohs)* Αδαμαντίνη Οδοντίνη Βαθμίδες κλίμακας Mohs: Τάλκης = 1 Διαμάντι = 10

38 ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΙΝΕΣ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Αγκάθια του σφουγγαριού Euplectella aspergillum

39 Μικροδομή των αγκαθιών: μια κεντρική ίνα πρωτεϊνης (Organic Filament) Περιτυλιγμένη από έναν κεντρικό πυρήνα (Central Core) και παραπέρα Διαδοχικές ομόκεντρες στρώσεις (striated shell region) από πυρίτιο

40 Τα αγκάθια διαδίδουν το φώς, λειτουργούν δηλαδή σαν Οπτικές ίνες τεράστιο ενδιαφέρον για την κατασκευή νέων μορφών συνθετικών οπτικών ινών

41 ΦΕΡΡΙΤΙΝΗ 24 υπομοναδες αυτο-οργανώνονται σε καψίδιο με εσωτερικη κοιλοτητα διαμετρου 6 nm Χρησιμεύει για την αποθήκευση σιδηρου στον οργανισμό υπο μορφην οξειδιου υπομονάδα

42 ΜΑΓΝΗΤΟΣΩΜΑΤΑ Συσσωματώματα μαγνητίτη Fe 3 O 4 Απαντώνται στα μαγνητοτακτικά βακτηρίδια και χρησιμεύουν για να τα καθοδηγούν σε μετακινήσεις ακολουθώντας τις γραμμές του γεωμαγνητικού πεδίου

43 Τα μαγνητοσώματα έχουν διάφορα σχήματα Και περιβάλλονται από βιολογικές μεμβράνες Bar = 25nm Bar = 100nm Πιθανές εφαρμογές?? Μεγάλο ενδιαφέρον για εφαρμογές στην αποθήκευση Μαγνητικής πληροφορίας

44 Κοινα χαρακτηριστικα συνθετων βιουλικων Optical fibers