科学家首次发现隐藏在软体动物牙齿中的罕见矿物

据外媒报道，美国西北大学的研究人员首次发现了一种隐藏在石鳖牙齿中的罕见矿物，石鳖是一种在岩石海岸线上发现的大型软体动物。在这个奇怪的惊喜之前，这种被称为圣巴雷特（santabarbaraite，又称为羟水磷铁石）的铁矿物只在岩石中被记录过。

这项新发现有助于理解整个石鳖的牙齿--不仅仅是超硬、耐用的尖牙--是如何被设计成能够忍受咀嚼岩石来觅食的。基于在石鳖牙齿中发现的矿物质，研究人员开发了一种生物启发墨水，用于3D打印超硬、坚硬和耐用的材料。

该研究的资深作者、西北大学的Derk Joester说：“这种矿物只在地质标本中被观察到过，数量非常少，以前从未在生物环境中出现过。它有很高的含水量，这使得它在低密度的情况下很坚固。我们认为这可能会在不增加大量重量的情况下使牙齿变硬。”

这项研究将于本周发表在《美国国家科学院院刊》上。

作为自然界中已知的最坚硬的材料之一，石鳖的牙齿附着在柔软、灵活、像舌头一样的齿舌上，齿舌刮过岩石来收集藻类和其他食物。在长期研究石鳖牙齿之后，Joester和他的团队最近转向了Cryptochiton stelleri，一种巨大的、红棕色石鳖，有时被亲切地称为 “流浪的肉卷”。

为了检查Cryptochiton stelleri的牙齿，Joester的团队与阿贡国家实验室高级光子源的高级科学家Ercan Alp合作，使用该设施的同步辐射莫斯鲍尔光谱，并与Paul Smeets合作，在西北大学原子和纳米尺度特征和实验（NUANCE）中心使用透射电子显微镜。他们发现圣巴雷特分散在石鳖的上齿中，这是一个长而空的结构，将牙齿的头部和灵活的齿舌膜连接起来。

Joester说：“上齿就像人类的牙根，它将我们的牙尖与我们的下颚连接起来。这是一种坚韧的材料，由生物大分子构成的纤维基质中极小的纳米颗粒组成，类似于我们体内的骨骼。”

Joester的小组挑战自己，在为3D打印设计的墨水中重新创造这种材料。Stegbauer开发了一种由铁和磷酸盐离子组成的反应性墨水，并将其混合到从甲壳素中提取的生物聚合物中。与Mark Hersam实验室的西北大学研究生Shay Wallace一起，Stegbauer发现这种墨水在打印前立即混合时打印效果很好。

“随着纳米颗粒在生物聚合物中的形成，它变得更加强大和粘稠。然后这种混合物可以很容易地用于印刷。随后在空气中的干燥导致了最终材料的坚硬和僵硬，”Joester说。

Joester认为，我们可以继续从石鳖的上齿中学习和开发材料，它将超硬的牙齿连接到柔软的根部。他说："我们对石鳖着迷了很久。机械结构的好坏取决于其最薄弱的环节，因此了解石鳖如何解决怎样将其超硬的牙齿连接到柔软的底层结构这一工程问题是很有趣的。这仍然是现代制造业的一个重大挑战，所以我们期待像石鳖这样的生物体来了解这在自然界是如何完成的，它有几亿年的准备时间来发展。"