Small Methods :三维原子力显微镜探测甲壳素纳米晶体-水界面的结构细节

近年来,来源于可再生自然资源的天然多糖基纳米晶——甲壳素受到了广泛的关注。这类材料表现出优异的机械性能和化学特性,加之其生物降解性、生物相容性和抗菌特性,甲壳素作为纳米填料所制备的复合材料广泛应用于骨组织的生物活性支架、酶/蛋白质固定、生物传感器和电池隔板等功能材料中。甲壳素是一种天然存在的线性生物高聚物,像纤维素一样,它在自然界中以有序的结晶微纤维的形式存在,与一些蛋白质和矿物质相结合。自然界中存在最多且化学性质最稳定的甲壳素是α-甲壳素,已有同步辐射研究证明其相互作用的分子链程反平行排列的方式存在,这使其间存在大量的氢键结合,从而使结构稳定。与其它多糖纳米晶体一样。甲壳素的纳米结构细节会对其结晶度、液晶行为、机械和流变等性质产生重要的影响。然而,现有关于甲壳素纳米晶表面结构在分子尺度上的细节以及其在水系环境中的界面附近的相互作用的理解仍然不足。对甲壳素-水截面的相互作用进行详细的分子尺度表征对于甲壳素基生物材料的设计至关重要。

金泽大学Takeshi Fukuma课题组通过结合调频3D原子力显微镜(3DAFM)实验和分子动力学(MD)模拟研究了从虾壳内分离的α-甲壳素纳米晶的分子尺度结构细节。高分辨率AFM图像给出了单个纳米晶体表面上甲壳素分子链排列的结构细节,并进一步在单链水平上以亚纳米的分辨率观察到了甲壳素纳米晶表面上结构水分子的3D界面水合层。结果表明,水分子在结晶甲壳质表面上能够形成稳定的分子有序水合层结构,这些结构有序的水分子层不均匀地包裹甲壳质纳米晶的表面。在此基础上,研究还通过分子动力学模拟证实了这些结论。

本研究对于甲壳素纳米晶结构的深入理解能够为探究甲壳素纳米晶的化学性质铺平道路,为甲壳素降解机制提供指导。此外,在甲壳素-水界面上的分子尺度3D局部水合层结构的详细表征也有助于更好地理解生物分子与甲壳素纳米晶结合的研究,并在此基础上开发性能优异的甲壳素纳米复合功能材料。

论文信息:

Probing the Structural Details of Chitin Nanocrystal–Water Interfaces by Three-Dimensional Atomic Force Microscopy

Ayhan Yurtsever*, Pei-Xi Wang, Fabio Priante, Ygor Morais Jaques, Kazuki Miyata, Mark J. MacLachlan, Adam S. Foster, Takeshi Fukuma*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200320

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202200320