《Science》：科学家从软体动物牙齿中汲取经验，提供3D打印先进材料开发新途径

2025年8月14日，南极熊获悉，加州大学欧文分校、日本冈山大学和东邦大学的研究人员首次开展了一项研究，旨在了解石鳖（一种以生长在海滨岩石上的藻类为食的软体动物）如何进化出如此坚硬、耐磨且具有磁性的牙齿，这些成果有望应用于3D打印等先进制造业。

研究成果以题为“Radular teeth matrix protein 1directs iron oxide deposition in chiton teeth “的论文发表在《科学》杂志上，将为电池、燃料电池催化剂和半导体等应用领域的先进材料的生产提供新的思路。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu0043

在这项研究中，研究小组揭示了石鳖特有的铁结合蛋白RTMP1通过纳米级小管（称为微绒毛）运输到新生牙齿的过程。蛋白质的沉积位置和时间受到精确控制，确保这些生物发育出坚硬、强韧的牙齿结构，使它们能够进行赖以生存的重复性磨牙运动。

论文合著者、加州大学欧文分校材料科学与工程教授大卫·基塞勒斯（DavidKisailus）说道：“石鳖的牙齿由磁铁矿纳米棒和有机材料组成，不仅比人类牙釉质更坚硬，而且比高碳钢、不锈钢，甚至氧化锆和氧化铝——这些高温制成的先进工程陶瓷——还要坚硬。石鳖每隔几天就会长出新牙齿，这些新牙齿的性能优于工业切削工具、研磨介质、牙科植入物、外科植入物和保护涂层中使用的材料，而且这些新牙齿是在室温下制造的，并且精度达到纳米级。我们可以从这些生物设计和过程中学到很多东西。”

全世界有超过900种不同的石鳖，大多栖息于潮间带沿海地区。它们可以在加州大学欧文分校附近的水晶湾和拉古纳海滩等地找到，但Kisailus表示，这项研究调查的石鳖体型更大，生活在美国西北沿海地区和日本北海道外海。Kisailus表示，研究小组发现RTMP1蛋白存在于世界各地不同地点的石鳖中，这表明“存在某种趋同的生物设计来控制氧化铁的沉积”。

Kisailus表示，当他和同事们开始研究时，并不清楚这些铁结合蛋白是如何以及何时被输送到石鳖牙齿中的。但通过结合先进的材料和分子生物学分析，发现这些最初存在于未成熟、未矿化牙齿周围组织中的特殊蛋白质，通过纳米结构的小管被输送到每颗牙齿中。

一旦进入牙齿内部，蛋白质就会与预先组装的几丁质纳米纤维支架结合。几丁质纳米纤维是一种结构性生物聚合物，控制着牙齿中磁铁矿纳米棒的结构。同时，储存在铁蛋白（另一种存在于牙齿外部组织中的蛋白质）中的铁会被释放到每颗牙齿中，并与RTMP1结合，形成纳米级氧化铁的精确沉积。氧化铁在牙齿成熟过程中持续生长，形成高度排列的磁铁矿纳米棒，最终形成超硬牙齿。

这张四联研究图像的左上角显示，这只石鳖体长超过20厘米。右上排中间的面板展示了石鳖的下侧，它的嘴巴（口腔）张开，突显了石鳖嘴里排列的超硬、啃食岩石的牙齿（最右侧面板）。左下角的面板展示了石鳖牙齿从浅色到深色的演变过程，较深的颜色表示牙齿材料中存在硬化的氧化铁，而这一过程正是本研究的重点。David Kisailus / 加州大学欧文分校

基塞卢斯表示，本项目提高了人类对细胞铁代谢的理解，同时为下一代先进材料的合成提供了见解。他说：“这些生物每隔几天就会长出一组新牙齿，这不仅使我们能够研究牙齿内精确的纳米级矿物质形成机制，也为我们提供了新的机遇，使我们能够在空间和时间上控制合成其他材料，用于电池、燃料电池催化剂和半导体等广泛的应用。这包括增材制造的新方法——3D打印——以及更加环保和可持续的合成方法。”

基塞卢斯表示，这项研究的独特之处在于融合了最先进的材料科学技术，包括超高分辨率电子显微镜、X 射线分析和光谱，以及免疫荧光、基因表达追踪和 RNA 干扰等生物学方法，揭示了石鳖牙齿形成的完整分子编排。

基萨卢斯说：“通过全球共同努力，我们将生物科学和材料科学方法结合起来，发现了地球上最坚硬、最强的生物材料之一是如何从头开始构建的。”

本项目的合作者包括冈山大学的 Michiko Nemoto、Koki Okada、Haruka Akamine、Yuki Odagaki、Yuka Narahara、Kiori Obuse、Hisao Moriya 和 Akira Satoh 以及东邦大学的 Kenji Okoshi。美国空军科学研究办公室为 Kisailus 的此项贡献提供了资金。