《Science》：科學家從軟體動物牙齒中汲取經(jīng)驗，提供3D打印先進材料開發(fā)新途徑

2025年8月14日，南極熊獲悉，加州大學歐文分校、日本岡山大學和東邦大學的研究人員首次開展了一項研究，旨在了解石鱉（一種以生長在海濱巖石上的藻類為食的軟體動物）如何進化出如此堅硬、耐磨且具有磁性的牙齒，這些成果有望應用于3D打印等先進制造業(yè)。

研究成果以題為“Radular teeth matrix protein 1directs iron oxide deposition in chiton teeth “的論文發(fā)表在《科學》雜志上，將為電池、燃料電池催化劑和半導體等應用領域的先進材料的生產(chǎn)提供新的思路。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu0043

在這項研究中，研究小組揭示了石鱉特有的鐵結合蛋白RTMP1通過納米級小管（稱為微絨毛）運輸?shù)叫律�牙齒的過程。蛋白質的沉積位置和時間受到精確控制，確保這些生物發(fā)育出堅硬、強韌的牙齒結構，使它們能夠進行賴以生存的重復性磨牙運動。

論文合著者、加州大學歐文分校材料科學與工程教授大衛(wèi)·基塞勒斯（DavidKisailus）說道：“石鱉的牙齒由磁鐵礦納米棒和有機材料組成，不僅比人類牙釉質更堅硬，而且比高碳鋼、不銹鋼，甚至氧化鋯和氧化鋁——這些高溫制成的先進工程陶瓷——還要堅硬。石鱉每隔幾天就會長出新牙齒，這些新牙齒的性能優(yōu)于工業(yè)切削工具、研磨介質、牙科植入物、外科植入物和保護涂層中使用的材料，而且這些新牙齒是在室溫下制造的，并且精度達到納米級。我們可以從這些生物設計和過程中學到很多東西�！�

全世界有超過900種不同的石鱉，大多棲息于潮間帶沿海地區(qū)。它們可以在加州大學歐文分校附近的水晶灣和拉古納海灘等地找到，但Kisailus表示，這項研究調查的石鱉體型更大，生活在美國西北沿海地區(qū)和日本北海道外海。Kisailus表示，研究小組發(fā)現(xiàn)RTMP1蛋白存在于世界各地不同地點的石鱉中，這表明“存在某種趨同的生物設計來控制氧化鐵的沉積”。

Kisailus表示，當他和同事們開始研究時，并不清楚這些鐵結合蛋白是如何以及何時被輸送到石鱉牙齒中的。但通過結合先進的材料和分子生物學分析，發(fā)現(xiàn)這些最初存在于未成熟、未礦化牙齒周圍組織中的特殊蛋白質，通過納米結構的小管被輸送到每顆牙齒中。

一旦進入牙齒內部，蛋白質就會與預先組裝的幾丁質納米纖維支架結合。幾丁質納米纖維是一種結構性生物聚合物，控制著牙齒中磁鐵礦納米棒的結構。同時，儲存在鐵蛋白（另一種存在于牙齒外部組織中的蛋白質）中的鐵會被釋放到每顆牙齒中，并與RTMP1結合，形成納米級氧化鐵的精確沉積。氧化鐵在牙齒成熟過程中持續(xù)生長，形成高度排列的磁鐵礦納米棒，最終形成超硬牙齒。

這張四聯(lián)研究圖像的左上角顯示，這只石鱉體長超過20厘米。右上排中間的面板展示了石鱉的下側，它的嘴巴（口腔）張開，突顯了石鱉嘴里排列的超硬、啃食巖石的牙齒（最右側面板）。左下角的面板展示了石鱉牙齒從淺色到深色的演變過程，較深的顏色表示牙齒材料中存在硬化的氧化鐵，而這一過程正是本研究的重點。David Kisailus / 加州大學歐文分校

基塞盧斯表示，本項目提高了人類對細胞鐵代謝的理解，同時為下一代先進材料的合成提供了見解。他說：“這些生物每隔幾天就會長出一組新牙齒，這不僅使我們能夠研究牙齒內精確的納米級礦物質形成機制，也為我們提供了新的機遇，使我們能夠在空間和時間上控制合成其他材料，用于電池、燃料電池催化劑和半導體等廣泛的應用。這包括增材制造的新方法——3D打印——以及更加環(huán)保和可持續(xù)的合成方法�！�

基塞盧斯表示，這項研究的獨特之處在于融合了最先進的材料科學技術，包括超高分辨率電子顯微鏡、X 射線分析和光譜，以及免疫熒光、基因表達追蹤和 RNA 干擾等生物學方法，揭示了石鱉牙齒形成的完整分子編排。

基薩盧斯說：“通過全球共同努力，我們將生物科學和材料科學方法結合起來，發(fā)現(xiàn)了地球上最堅硬、最強的生物材料之一是如何從頭開始構建的�！�

本項目的合作者包括岡山大學的 Michiko Nemoto、Koki Okada、Haruka Akamine、Yuki Odagaki、Yuka Narahara、Kiori Obuse、Hisao Moriya 和 Akira Satoh 以及東邦大學的 Kenji Okoshi。美國空軍科學研究辦公室為 Kisailus 的此項貢獻提供了資金。