鱼鳞的结构及其仿生材料

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-04-02 09:52 热度：

摘 要：[摘 要] 鱼鳞作为鱼类的保护盔甲，具有超薄、超轻等特点，并且具有很好的柔韧性. 本研究主要介绍鱼鳞的结构，包括宏观、微观结构、成分组成、基本性能及其仿生材料的研究进展，并探索

　　[摘 要] 鱼鳞作为鱼类的保护“盔甲”，具有超薄、超轻等特点，并且具有很好的柔韧性. 本研究主要介绍鱼鳞的结构，包括宏观、微观结构、成分组成、基本性能及其仿生材料的研究进展，并探索其结构或性能在未来发展中的应用，尤其是在仿生上的应用，以期望能为制备防护结构材料提供新思路.

　　[关键词] 鱼鳞; 结构; 成分; 性能; 仿生材料

　　鱼鳞作为一种附属品，常常被当做下脚料扔掉，对鱼鳞的研究自 20 世纪 70 年代开始，研究者们开始观察鱼鳞鳞片的结构特征. 鱼鳞作为一种天然生物材料，因其具有超薄、超轻、极好的柔韧性，且有优良的防护能力而备受关注. 根据鱼的种类，可以将鱼鳞大致分为 4 类: 盾鳞、齿鳞、硬鳞和圆鳞，盾鳞一般在软骨鱼上发现较多如鲨鱼[1]. 一些研究报告表明鱼鳞优异的力学性能，与结构有密切关系，也与鱼的种类有很大关系，不同种类的鱼其结构性能差别很大，但就鱼鳞结构和性能来说有其共性: 鱼鳞是典型的层状复合材料，在鱼鳞的主要成分中有机质占了大部分，但鱼鳞却表现出较高的强度和韧性，能抵御外界较强的载荷冲击.

　　1 鱼鳞的结构及成分组成

　　经过近几年对鱼鳞的研究表明，大部分的鱼鳞是由羟基磷灰石矿化的坚硬骨质层和柔性的胶原纤维层组成[2]. 也有极少数的鱼类的鱼鳞不是这种结构，如恐龙鳗鱼的鱼鳞[3].

　　1. 1 鱼鳞的宏、微观结构

　　鱼鳞是呈叠层状分布，其层与层之间结合比较紧密，单个鳞片呈现出不规则中间厚两边薄的 6 边形形状，由于其独特的排列方式，鱼鳞表面有暴露区和非暴露区，被上一层所覆盖的为非暴露区，如图 1 所示[4].

　　鱼鳞表面分为 3 个区，埋在真皮层且被盖住的为顶区; 暴露在外的为基区; 两侧为侧区，3 区的焦点为鳞焦. 电子显微镜下观察鳞片表面有同心圆状的部分为环状线被称为鳞嵴和不连续的放射线部分即鳞沟，大部分鱼鳞有 3 条鳞沟，( 图 2A) [5 - 6]所示.

　　其中，鱼鳞的鳞嵴( 图 2B) 所示[5]，可以清晰地看出同心圆的环状轮廓且很粗糙. 鳞沟( 图 2C) 所示[5]，可以观察到鳞沟呈凹沟状，鳞沟都是以鳞焦为圆心向鳞片边缘呈放射状排列，将鳞嵴分隔成段，鳞沟可以增加鱼鳞的柔性，鳞嵴和鳞沟可能起到减少阻力的作用，其具体的作用目前尚未报道.

　　关于鱼鳞的微观结构，有两种说法: 一是鱼鳞由内外两层结构组成，外层为矿化的骨质层，内层为柔性的胶原层，骨质层排列有序为连续结构，较为粗糙，高度矿化; 而胶原层为薄层夹板结构，矿化度较低[7]. 光学显微镜下观察巨滑舌鱼鱼鳞，可以清晰地看出两层结构，放大后可以看到外层呈现出脊的形状，而内层表现出叠层板片状结构，( 图 3A) 、( 图 3B) 所示[8]; 第 2 种说法是鱼鳞在纵向上分为 3 层，最上层为羟基磷灰石组成的比较密实的无机相，中间为胶原纤维组成的有机板片层，最下层为胶原和无机相有规律的组成的混合层[6].

　　最上层较为密实的一层是由大量的羟基磷灰石颗粒组成的，而胶原层由胶原纤维组成的，其纤维排列为正交或双扭曲夹板状分布，每一层的胶原纤维呈定向平行排列，然而层与层之间呈一定的夹角，图 4 所示[4]. 图中所示为草鱼胶原层中纤维排列角度为 28° ～ 31°、鲫鱼鳞片约为 60°[9]、巨骨舌鱼鳞片为 60° ～ 75°[10]、条纹鲈鱼鳞片约为 90°[11]. 草鱼鳞片的这种微观结构在很大程度上决定了单个鳞片的力学行为.

　　1. 2 鱼鳞的成分组成

　　鱼鳞的成分经拉曼光谱分析结果显示，鱼鳞是由羟基磷灰石[12]和 I 类胶原质组成[13]，外层羟基磷灰石的体积分数为 30%[11]，而内层的羟基磷灰石体积分数仅为 6%[14]. 傅里叶 - 红外光谱分析结果显示，在鱼鳞中含有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型氨基酸和 I 型胶原质，且其吸收峰都很强，除此之外还含有磷酸基团和碳酸根阴离子，从而验证了鱼鳞是由有机成分和无机成分两种物质组成的.

　　鱼鳞为真皮组织的衍生物，虽然大部分是由有机成分组成，但有机成分经过精细组合，成为板片状，且以一定的角度进行排列，具有一定的取向性，再配合无机成分的构造，使鱼鳞具有特殊的层状结构，这种结构的组成在仿生领域会有很大的指导意义.

　　鱼鳞内层的羟基磷灰石以颗粒增强的形式形成一种增强体系，不仅使鱼鳞具有较好的韧性，同时具有较好的强度. 这种成分的特殊配比形成了独特的结构，为仿生复合材料的制备指明了新的方向.

　　2 鱼鳞的基本性能

　　不同种类的鱼其力学性能不同，同一种类鱼不同位置上的鱼鳞，力学性能也有所差异. 通过对饱水和脱水状态下的鱼鳞进行拉伸试验，结果表明，饱水状态下，头部鱼鳞和中部鱼鳞的弹性模量和强度比尾部鱼鳞的高，脱水状态下的鱼鳞的弹性模量明显增加，而在完全失水的状态下，不同部位的鱼鳞的力学性能没什么大的区别[15]. 因此，鱼鳞的力学性能与水合状态和位置有密切关系.

　　不同种类的鱼内外层的硬度不同，通过纳米压痕实验测试表明，不管什么种类的鱼，外层的硬度都比内层高两倍[3]; 对圆鳞进行防刺穿和单轴拉伸实验发现，含水鱼鳞的拉伸强度在 22 MPa 和 65 MPa 之间，韧性大约为 1 MPa[16].

　　鱼鳞虽薄，但却可以抵抗其他水生生物的攻击，正是由于其独特的结构决定了鱼鳞拥有优异的性能.

　　3 鱼鳞的仿生材料

　　开始对鱼鳞进行研究，主要是基于其成分的研究. 近年来，仿生材料的研究成为热点，但关于鱼鳞的仿生应用方面所见到的报道不多.

　　针对于鱼鳞的应用，主要有提取其中的羟基磷灰 石，将提取到的羟基磷灰石应用于吸附方面[17 - 20]，可以吸附一些有毒的重金属，应用于环境保护方面; 羟基磷灰石具有很好的生物相容性，因此可以应用于生物工程方面，制备仿生骨等材料，实现硬组织的修复和替换[21].

　　提取的胶原蛋白可以用于医学，制作胶原膜用于透析和人工皮[22 - 23]、食品和化妆品等领域，除此之外，将鱼鳞胶与重铬酸铵配合，可做成高级摄影胶膜，用于照相业中[24].

　　关于鱼鳞的仿生结构材料所见到的文献资料很少，有基于鱼鳞的传感探针[25]、仿鱼鳞的游泳衣和仿鱼鳞的减阻材料[26].

　　这种游泳衣是模拟鲨鱼鱼鳞的微结构特征，采用新型纤维和编织技术，使其能紧紧地贴合于游泳者的身体，这样利用仿鱼鳞的超疏水表面和鱼鳞的叠合减阻方式制备的游泳衣，可以有效地抑制湍流[27].

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　　仿造鱼鳞表面的凹孔，建立三维鱼鳞形凹孔简化模型[28]，该模型具有较为明显的减阻效果，相对于光滑表面，鱼鳞形凹坑表面虽然产生了额外的压差阻力，但同时也大幅降低了摩擦阻力，最终产生了减阻效果.

　　以鲫鱼鱼鳞为模板合成具有面心立方萤石结构，呈片层状的仿生氧化铈[29]，该材料对可见光的吸收增强，能够有效增强光催化活性，处理酸性品红染料 150 min 后脱色率可以达到 90% 以上，可以广泛用于环境保护方面，借助太阳光加快可催化的一些物质分解，实现绿色降解.

　　针对于鱼鳞的超薄、超轻、柔韧性等特点，采用 ABS 塑料和 VPS 硅胶作为材料，利用 3D 打印技术制备出了防弹衣，该防弹衣性能优于传统的防弹衣[30]，这种材料的具体制备方法及其实现的性能还没有资料报道.

　　若是根据鱼鳞的宏观及微观内部结构制备相应的仿生结构材料，在防护材料方面应该具有优异的性能; 或是制备一些涂层可以防水或是减阻.

　　4 结论

　　对鱼鳞的研究起步较晚，国内外所报道的大部分是成分的提取，关于鱼鳞的力学性能和强韧机理的文献并没有很多，而且研究鱼鳞胶原质作为药用比较广泛. 针对鱼鳞的优异性能，可以仿鱼鳞做一些结构材料，既能实现轻质又能提高韧性，像仿鱼鳞的游泳衣就是按照鱼鳞的结构仿造其形态制备了减阻的游泳衣. 不管是鱼鳞宏观的叠层排列还是单个鱼鳞的微观层状强韧结合的结构都是以后研究的热点，并期望通过其结构理解其性能，从而制备出轻质超薄高强韧的结构材料.——论文作者：段婷婷， 郑 威， 黄玉松

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文章名称：鱼鳞的结构及其仿生材料

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