钢铁力量攻略:河蚌的珍珠层及珍珠层粉的力学活化d

河蚌的珍珠层及珍珠层粉的力学活化

长春市力元生物材料研究所

傅维椿

0431—5100099

1、         珍珠层的结构与信息

珍珠层是蚌壳的最内层，由于珍珠层又是由无数、平行于蚌壳的文石微片层所组成（如图1所示），所以能呈现出奇幻美丽的颜色。

蚌壳的最外层—角质层是由外套膜边缘的褶

襞所分泌；中间与蚌壳成垂直分布的棱柱层是由

外套膜腺质的边缘分泌并形成紧密的柱状层；珍

珠层则是由外套膜表面所分泌出的有机物与周围           图1  蚌壳与外套膜

的无机盐经结合、沉淀、再矿化而形成的若干微片层。

珍珠层中的微片层由文石晶片组成，在纵向上呈周期性结构，即由蛋白质与几丁质等组成的有机质层和碳酸

钙的文石片层所组成的夹心状的周期性结构

（图2为其示意图）。图3中的扫描电镜照片，         图2  珍珠层的微片层

可清楚地观察到文石片层的断面，其厚度约为1μm，有机质层厚度估计仅约有数十纳米。

珍珠层中的文石晶片主要成分是碳酸钙等无机盐，相邻的有机质含有丰富的蛋白质、几丁多糖、B族维生素及牛磺酸等有机物。近年的研究发现，在有机层中分布有垂直的，尺度仅为十几纳米的矿物桥。

珍珠层如此奇妙的结构必蕴藏有丰富的信息，并且这些信息都应该由河蚌细胞的遗传信息演绎而来。例如矿化后的珍珠层记录着表皮细胞的分泌信息；无机质与有机质相结合以及无机质在有机质上的沉淀、矿化、诱发新的珍珠层的信息；珍珠层周期性生长的信息；即由各种有机物、无机物组成的细胞分泌物等胶体系统，在双亲分子的参与下形成自组织结构的信息等等。这些奇妙的生物信息可通过近代的物理学、分子生物学、遗传信息学的研究结果给出解释。当表皮细胞的分泌物含有由生物大分子所组成的胶体系统，其中存在着双亲分子的情况下，系统通过熵增，就会很容易形成有序的自组织结构。由外套膜表皮细胞分泌的有机物中，不仅含蛋白质、多糖等有机生物大分子，而且含有牛磺酸RN⁺(CH₃)₂(CH₂)_XSO₃^—一类的双性双亲分子，所以在生长（熵增）的热力学条件下，便可自组织形成如上所述的周期性结构。

2、         珍珠层的成分与功能

珍珠层除含大量的钙质外（95%为碳酸钙），还含有其它多种无机元素，按含量多少的顺序为：钙、磷、镁、锌、铁、铜、锰、锶、锂、锗、硒等。珍珠层的有机成分（不足5%）中主要为壳蛋白及多糖等物质，其中的氨基酸按含量多少的顺序为：甘氨酸、脯氨酸、谷氨酸、精氨酸、苯丙氨酸、丙氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、丝氨酸、苏氨酸、赖氨酸、天门冬氨酸、组氨酸。珍珠层中含有丰富的B族维生素（B₁、B₂、B₆）及牛磺酸（一种非蛋白氨基酸）等。

由珍珠层的成分可知，它是人体补充钙、磷、镁、锌、铁的理想原料，这不仅因为它含有这些元素，而且还含有能明显促进钙、磷吸收的牛磺酸。但是，珍珠层中的有机物与无机物形成了非常复杂的配位结构，这些有机成分和无机成分都难以为机体所吸收，所以传统的活性钙粉的制取，就是将其经900℃以上高温煅烧一小时所得到的氧化钙，或者经由柠檬酸、苹果酸、葡萄糖酸等处理后所得到的柠檬酸钙、柠檬酸-苹果酸钙、葡萄糖酸钙。在经过高温处理后的情况下，碳酸钙几乎全变成了氧化钙，而包括牛磺酸在内的有机物几乎全部炭化。

珍珠层的成分表明，它具有极高的药用价值和保健价值，例如由珍珠层研磨而成的珍珠层粉乃是中药的上品，它具有安神定精、清热益阴、明目去翳、消炎生肌、止咳化痰等功效，近年利用珍珠层粉的提取物治疗糖尿病、病毒性肝炎也多有报道。

从近代的生物化学、生物医学的观点可知，钙离子是胰岛素作用原理的关键因子，可抑制脂解，促进糖元合成。镁离子可促进多种酶的活性，是葡萄糖代谢反应中唯一的逆反应抑制剂。B族维生素可舒张小血管，可促进血液循环，参与氨基酸和脂肪代谢，防止动脉粥样硬化，改善神经系统。其中的有机成分，如牛磺酸具有提高机体的免疫功能，促进淋巴细胞增殖，修复细胞、调整血压、血糖、明目、镇痛、消炎、解热、镇静、抗惊厥等功效。其中的多糖成分也具有提高机体免疫功能、消炎、镇痛等功能，近年来利用河蚌多糖抑制肿瘤的研究多有报道。精氨酸可提高机体的免疫功能，提高T—淋巴细胞的活性、促进T—淋巴细胞的增殖、分化和成熟，促进IL—2的产生与增加，也可增加自然杀伤细胞、单核细胞和巨噬细胞的活性，可抑制肿瘤的转移、修复受体细胞，提高胰岛素/胰高血糖素的比值，加速创伤、溃疡创面的愈合。可见，珍珠层的成分有极高的药用价值、食用价值、美容和保健价值。

3、  珍珠层的自然裂解与珍珠层粉的活化

不仅珍珠层因含有丰富的有机成分极具医药价值，就是珍珠层的片状微结构的形态也极具医药价值。这是因为珍珠层（甚至包括矿物桥）如果能按其自然厚度解离便可得到微米级以及纳米级的颗粒，期间的有机成分的大分子，也会因为配位结合的破坏或降解而活化，微小的文石片层也因此会有较强的吸附和参与其它反应的能力。例如将其作为创面的外敷用药或口服的抑酸剂，就会充分发挥吸附与抑酸的效果。

虽然高温煅烧可使珍珠层得以自然解离，但是由于有机物的炭化而使其丧失有机成分的药用及保健价值。因此，如何既能使珍珠层自然解离，又能使有机成分得以保留，便成为合理利用珍珠层与珍珠层粉的关键。

由于珍珠层中生物大分子和无机盐之间有着牢固的配位结合，在亚微观上又组成夹心状如同砖墙样的坚固的结构，使其具有非常高的静态强度与韧性，它的强度接近于碳钢，其断裂韧性则远高于一般的金属材料，因此，仅仅依靠机械粉碎是难以使其按自然厚度解离。但是，这种夹心层的微结构尽管具有非常优异的静态力学性能，但是，其动态性能并非如此。由于无机的文石微片与其间的有机成分具有不同的力学、电学及热学等性质，因此就会有不同的动态响应，例如经实验表明，在力化学处理过程中，珍珠层极易形成疲劳裂纹，并且疲劳裂纹可沿文石微片层间有非常高的扩展速率，并呈现咬蚀状破坏，如图6的扫描电镜照片所示。所以，在功率超声的交变应力、微波的反复极化以及热疲劳应力等物理场作用下，文石微片层与有机层因为有不同的动态响应而出现微观裂隙—扩展成裂纹—最终使它们得以自然解离，如此再经粉碎便得到颗粒度非常小的活化珍珠层粉。由于如此裂解，不仅可使有机大分子得以降解，而且无机的文石颗粒由于比表面积进一步增大、颗粒表面的刻蚀以及文石晶体的非晶化，使其两者后活化性能都有所提高。

4、力化学活化的结果与展望、

如果能通过力学手段达到珍珠层微片层的自然裂解，则不仅可以保留极具价值的有机成分，而且可以使这些有机成分及自然裂解后的珍珠层粉获得活化。在前述的力化学实验中，经力化学活化后的珍珠层粉与未经活化的相比较，无论在结构或性能上都发生了明显的改变。由图7、图8所表明的两种珍珠层粉的红外光谱曲线可知，两种珍珠层粉的有机成分并未发生改变，但是典型吸收峰的高度与位置均有一定的变化，说明活化后珍珠层粉的微细结构发生了一定的改变。

图9、图10为两种珍珠层粉的热差曲线，该曲线可进一步反映结构的完整程度。显然，未活化的珍珠层粉的热差曲线有较高的吸热峰值，曲线很陡峭，说明文石晶体结构是完整的；而经力学活化的珍珠层粉，其吸热峰值仅为前者的三分之一，并且曲线非常缓和，这说明了结构发生了明显的改变。这是因为力化学的作用结果可以使结晶区与非结晶区的分布以及晶体角度等参数向非晶态发生了转变。由于这种转变往往是由微小塑性应变积累出的结构损伤，而且这种损伤是不可逆的，所以，通常称之为后活化效应。

珍珠层的结构与成分、均记录并应该反映表皮细胞的分泌与生长的信息与功能，因此，将其应用于促进细胞与组织的生长则是很自然的推断。近年来一些研究工作，也证实了珍珠层中的有机成分有着独特的生理功效，例如科学家（Miyamoto  1997、Kono  2000）在珠母贝珍珠层蛋白的一级结构中，发现了Gly-Xaa-Asn的重复序列，该序列具有碳酸酐酶（CA）活性。在大珠母贝的珍珠层中，也发现了

两种可溶性蛋白N66、N14，它们也具有碳酸酐酶功能域和插入其中的Gly-Xaa-Asn的重复片段，更为重要的是CA与人类的CA-II有最高的同源性，而N66与人类的CA- VII的同源性最高。而Mann(2000),Weiss(2001)对澳洲鲍珍珠层的研究中发现的两种可溶性有机基质与脊椎动物胰岛素样生长因子有较高的同源性，并且与人的胰岛素样生长因子有较强的亲和力。这一切，都可能与珍珠粉能刺激骨再生以及珍珠粉的其它作用密切相关。

在中医药的典藉中均指明珍珠层粉具有消炎、抑菌、镇痛、生肌等功效，在“本草纲”、“灵枢经”、“名医别录”等著作中，也都有用珍珠层粉治疗烧烫伤的记载。为了直接验证活化后的珍珠层粉在治疗烧烫等创伤方面的效果，为此，将其水浸液作了如下的细胞增生的生物学实验。

选择了四种细胞株：Hs68、Detroit551、CCD966SK|WSI进行测试。测试内容为细胞毒性测定（计算细胞的存活率）、细胞增生率的测定及细胞形态观察。实验采用不同浓度的浸出液，其浓度分别为1mg/ml、400 μg/ml、200μg/ml、50μg/ml、…10μg/ml，进行细菌培养。结果表明，除10μg/ml、之外，都可以看到有相当多的颗粒物质粘附于细胞上，只有10μg/ml、，才明显几乎看不到，除10μg/ml之外，都有明显的细胞存活度；同样只有10μg/ml，无细胞增生影响。

上述实验结果表明，只要浸出液浓度﹥10μg/ml，就有一定的细胞增生之效果。但是该实验并不能表明浸出液中是否存在有直接导致细胞增生的细胞生长因子。因此，这一实验是在尚不能对有无细胞因子作出肯定或否定结论的情况下，仍然有一定增生的效果。为此，对上述使细胞有一定增生效果的实验只能作出如下的解释或理解：

①    经力学活化，提高了有机物的水溶性与活性，特别是提高了

精氨酸与牛磺酸等物质在浸出液中的浓度，而精氨酸、牛磺酸具有修复并提高多种细胞活性的功效，因此，使这些实验的细胞株可能产生一定的细胞毒性与增生的效果。 

    ②珍珠层含有表皮细胞的分泌与生长信息，但是由于复杂结构的约束难以表现。只有活化后珍珠层粉的浸出液，在一定程度上使珍珠层的有机大分子得以降解，恢复了原有表皮细胞分泌出的胶体体系的前驱形态，从而再现出一定促进生长的信息，或者在一定程度上，这种被恢复了的信息为细胞的增生提供了良好的环境与条件。

对于经力学活化后的珍珠层粉，在作为烧烫等创伤的临床实验中则表现出明显的治愈效果，这是完全有理由解释为：

①  创面本身就存在一定的炎症细胞与修复细胞。

②  活化后珍珠层粉的精氨酸、牛磺酸等成分的补充，活化了T—淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞，促进这些细胞分泌内源性的细胞生长因子及分泌细胞外基质；而碱性氨基酸与几丁多糖提供了正电荷以中和创面产生的负电荷。

③  珍珠层粉中的蛋白质、多糖可对内源性生长因子起到吸附、诱导、粘附等模板的作用，从而可发挥修复的效果。

④  其它：活化后珍珠层粉的多种有机成分可提高机体的免疫水平；Ca²⁺可构成凝血因子复合物；脯氨酸作为羟脯氨酸的前体，促进交联纤维的形成；活化的巨噬细胞提高了清除病原体及其吞噬作用；表面活化的亚微米颗粒物质对创面渗出物有强烈的吸附和清除作用；B族维生素作为上皮组织所必需的物质之外，还有消炎、促进血液循环的作用。

在12例Ⅱ度烫伤的临床病例中，敷以力学活化的珍珠层粉，都不见明显的渗出期，也未见明显的回收期，基本上在第二天或第三天就进入愈复期，多数经6天创面得到基本治愈。未结痂，未落疤痕。

前面的论述和相关的一些实验，本文只是简单地说明了河蚌的珍珠层有着非常奇妙的结构，有着丰富而又有价值的成分，在经过某种技术处理后有着显著的功效，从而有可观的开发前景。

在没有得到含有细胞生长因子的证据情况下，对于为什么活化后的珍珠层粉对细胞增生还能有一定功效，本文只是指出了这种功效与外套膜表皮细胞的分泌与生长的信息存在一定内在联系，而未能给出分子生物学及遗传信息学的机理。

可以肯定地说，围绕河蚌的珍珠层还有许多内容值得我们去深入地研究和探讨，譬如珍珠层中的多糖物质，是否完全具有促进细胞产生细胞因子和调节细胞粘附与增生的透明质酸同样的物质？力学活化后珍珠层粉使细胞增生、使创面愈合的分子生物学机理是什么？通过高压静电对珍珠层粉表面进行剥离、刻蚀以及电荷的注入，将会对细胞的增生、对创面的愈合产生何种效果？在这些问题中，对任何一个问题的探讨与解决，不仅可提高我们对河蚌及其珍珠层的认识，而且都是极有理论意义和应用价值的课题。