钢铁雄心4下载:珍珠层粉的结构、功能与信息

珍珠层粉的结构、功能与信息

自古以来，人们就对蚌壳中五颜六色的珍珠层发出无限的赞叹、引发无数的遐想。人们不仅用其制作精美的饰物等工艺品，还编织了许多美丽的故事。当人们了解其强韧的特性后，把它制成工具或磨成粉作为建筑用的工程材料。更为奇妙，也是让收藏家视为珍品的中国骨瓷，其原料也来源于这种有奇幻色彩的珍珠层。但是对这种天然生物材料最为神奇的应用，却是几千年前我们的先人将珍珠层即珍珠母或珍珠层粉作为药物，用以治疗刀、火、烫伤以及其它疾患。人们对珍珠层有越来越深刻的认识，就会开发出更多的产品，使其有更广泛的应用。今天，仿生学家正试图通过对珍珠层的研究，开发出符合人类对医用材料的新需求。

作为中药上品的珍珠母及珍珠层粉，除含有大量的碳酸钙之外，还含有丰富的牛磺酸、几丁质、河蚌多糖、B族维生素，含有组成壳蛋白的甘氨酸、脯氨酸、精氨酸天门冬氨酸等。由于这些物质是治愈烧烫等创伤所必需，所以，人们会自然地认为是因为有这些成份，才使其在治疗烧烫等创伤中具有如此明显的效果。事实上，珍珠层粉的所有功能与效果，不仅与其成份相关，同时也与其结构密切相关。因为，只有高度有序的结构，才能使其各物质成份的功能得以协同发挥。那么，珍珠层及珍珠层粉有何结构？它们的结构为何是高度有序？这种有序结构与其功能有何关系？珍珠层粉要有什么样的结构，才能更好地发挥其疗效？让我们先从蚌壳说起。

蚌壳由三个宏观层状物组成，即最外层为角质层、中间为瓷质层（亦称棱柱层）、最内层为珍珠层。中药的珍珠母就是蚌壳中的珍珠层。作为珍珠层具有五颜六色的光学效应，说明它是由无数亚微观文石片层所组成，犹如云母一般。若将珍珠母研成极细的珍珠层粉，它仍然具有层状结构，即更细小的微片层结构。研究结果表明，这种微结构又有着亚微米尺度的层状分布的序列，呈现出明显的周期性。可以说，正是由于这种奇妙的微结构及其含有的有机物能传递着不同的信息，所以才使珍珠母及珍珠层粉具有各种不同的功能。只有将结构、功能与信息一并考虑，才能深入地理解珍珠层粉的疗效与作用。

在自然状态下，不受外界的机械、热、辐射、化学等作用的珍珠层，无论是处于在体或是离体的情况，它们都有着相同的化学成份和相同的层状结构。但是，对于离体前与离体后的珍珠层，却处于不同的状态，和外界也有着不同的环境界面以及不同的能量、物质交换关系，因此，也就接受不同的信息，从而具有不同的功能。例如离体前的珍珠层与外套膜接触，不仅接受外套膜外表皮细胞所分泌的物质，并且接受其所传递的遗传信息，从而使珍珠层具有按确定层次生长——矿化——再生长的功能。其中氨基酸可形成复杂结构的壳蛋白，壳蛋白大分子又与周围的大量碳酸钙等无机盐通过配位而结合，而几丁多糖物质通过与蛋白质的端基结合，形成对胶原蛋白有偶联作用的季铵基多糖……。珍珠层如此将有机物与无机物结合在一起，并在遗传信息指令下，按一定层状规律演绎着生命过程。除却这种生物遗传信息之外，导致具有周期性层次的生长功能还另有其它信息或另有其它机制，这对于研究珍珠层结构、功能与信息是极为重要的。可以设想，珍珠层在与外界有物质与能量交换过程中，一方面周围环境有大量的无机盐，此外有外套膜分泌的氨基酸、多糖等有机物，这些物质在外套膜与珍珠层之间形成一个无序的胶体系统。更值得注意的是，活体蚌还向这一系统分泌出一种非蛋白质氨基酸——牛磺酸。牛磺酸的分子式为RN⁺(CH₃)₂(CH₂)_XSO₃^—，它是一种双性的双亲分子。由近代的胶体自组织理论可知，这类双亲分子可使胶体等软物质系统——既使是非生命系统，也会由于熵驱动发出有序的信息，指令胶体系统呈现出有周期性的层状分布。这种层状分布经固化就会自组织地形成纳米层状的微结构。当然，对于非生命的胶体系统其有序结构会具有多种选择，显然有序化的确定性发展方向则必然与信息的来源及其性质相关。珍珠层的微结构就是由有机物的相互凝聚和无机物与有机物经配位而结合成的高度有序的微结构。该微结构可以简单、形象的视为碳酸钙文石结晶片层夹在两个有机基质层之间，而几丁质又被两个蛋白层之间的周期性层状微结构，如图1所示。图1中层状结构的每一片层厚度约为1微米，而有机基质层仅有数十纳米。

对于离体后的珍珠层，虽然物质的成份未变，有序的层状结构也未变，但是，它已失去了与外界的物质与能量的交换，既无外套膜所给予的生存空间、界面以及生命、生长的生物信息，同时其周围也没有各种有机物与无机物组成的胶体系统，因此与其它物质一同矿化的蛋白质、牛磺酸也不能再提供自组织/自组装的信息。所以离体后的珍珠层除矿化后的物质别无其它，并且处于最稳定的平衡状态，即使将其碎成珍珠层粉、仍可在较长时间内保持其成份与结构不变。这就是自然状态下珍珠层微结构、功能与信息之间的大致关系。

离体后的珍珠层虽然对蚌而言没有了生机或再生长的功能，但是，由于这种特殊的物质与特殊的结构，如果使其在某种适合条件下，仍然会有许多其它的功能。我们的先人在几千年前，便将珍珠层研成珍珠层粉，并经煎煮或煅烧等处理，使其结构与成分得以适当活化、改性，用以治病、疗伤。虽然在今天看来这种操作缺乏近代的理论依据，其工艺也极为原始，但是，对于我们理解珍珠层（粉）的结构与功能以及有效地应用这种生物材料，则有重要的启示。

通过对前面自然状态珍珠层微结构、功能与信息的分析可知，离体后的珍珠层虽然得不到有关自身的生命信息，也无生长功能，但是，如果使其成为有一定浓度的蛋白质与双亲分子存在下的新的胶体系统，并且使其保持与外界有能量交换的环境，从而可使这一系统处于亚稳状态，那么，就有可能使珍珠层（粉）的物质重新构筑起新的有序结构，使这些物质再次发挥出协调甚至是具有某种“生长”特性的功能。

通过现代的力化学手段，可以使珍珠层粉中的有机基质与无机成分解离，可以在低温下使其微结构中各层间的分子键合被削弱以至断裂，同时，微结构每层中的有机物、无机物的分子结构也要遭到破坏与损伤。由于是非生命物质的损伤，又由于是微观塑性损伤，所以这种损伤具有不可逆和可积累的特性。此外，由于力化学的自由基反应，可使这种累积损伤进一步导致珍珠层粉物质结构的破坏与改性。

从力化学引起的自由基反应来分析，累积损伤一方面可使生物大分子中薄弱的键合发生断裂而降解，并且可提高有机物的溶解度，使其能够从微结构中被溶出。其次，自由基反应可使外周电子的能级发生变化，导致一些离子、原子或分子处于受激状态。这种受激状态可使珍珠层（粉）中的有机物及无机物在参与的生化及物理反应过程中，显现出极大的活性。从各物质间的结合及物质的结构来分析，累积损伤使无机物与有机物之间的配位结合、使蛋白质与几丁质之间的凝聚状态遭到削弱与破坏，从而使珍珠层（粉）微结构的表面和有机分子结构的键角以及其它结晶常数等产生不可恢复的永久形变。这种力学弛豫将转变为化学弛豫，使之在提高其化学势的同时，并产生后活化效应。从珍珠层（粉）微结构的几何形态来分析，累积损伤一方面使微结构表面被刻蚀，同时可形成某些优势发展间隙，并使这种间隙进一步扩展。由于有机物在力化学作用下可从微结构中被溶出，使微结构表面在纳米尺度上被刻蚀而变得粗糙所以有极大的比表面积。此外，由于这一微结构的永久形变以及某些原子、分子处于受激状态，从而使微结构具有很高的物理与化学吸附活性。

珍珠层（粉）在力化学手段作用下，使珍珠层（粉）的结构及其性能发生明显变化，同时对于微米或亚微米粒度的珍珠层粉，可使其与溶出的有机物形成一胶体系统，并且在这一胶体系统中存在着较高比例的双亲分子——牛磺酸。那么，经过力化学活化的微结构及其胶体系统可具有何种功能，特别是对于机体形成烧烫等创伤的创面可有何种功能？对此可作出如下回答：

①由于表面被刻蚀而粗糙的微结构，特别是由溶出的有机物所组成的胶体系统，当其与机体创面结合时，形成了与机体进行物质交换的界面，同时，可接受来自机体的生物信息，同时，胶体系统中的双亲分子牛磺酸，可使胶体系统中的物质发挥协同作用而达到有序化，亦即使这些物质发挥其独特作用过程中，合成出机体所需要的胶原蛋白，形成机体自身的新组织。

②具有较大比表面积和高活性的微结构，可对创面的渗出液及脱落的细胞能予以充分的物理吸附，同时渗出液与碳酸钙形成水合物，从而可缩短烧烫等创伤在治愈过程中的渗出期与回收期。在创面愈合后，珍珠层粉应该随脱落的死细胞等组织一起脱离新组织，以达到不结疤痕的效果。为此，珍珠层粉粒度不能太小，否则完成吸附后继续与新组织表面粘附一起而不易脱落；但是，珍珠层粉的粒度又不能太大，否则不能暴露更多的微结构，不能形成更多的粗糙表面，得不到更大的比表面积以进行充分的吸附。实践表明，珍珠层粉的粒度在0.5～2.0µm范围内较为合适。

③在胶体系统中，精氨酸、几丁质中的氨基携带的正电荷，可快速中和创面所富集的负电荷；精氨酸、几丁质、牛磺酸等具有明显提高机体的免疫水平；几丁质与牛磺酸具有消炎、抑菌及防止伤口感染的作用等等。正是这些物质的上述协同作用结果，才克服了烧烫等创伤所带来的免疫功能低下、易感染和伤口不易愈合等棘手问题。

④胶体系统中的B族维生素、构成胶体蛋白的氨基酸以及无机电解质等，对于烧烫等创伤导致的营养失衡提供了必要的营养物质。特别是由于烧烫等创伤导致的精氨酸的缺失，并且在伤口愈合过程中，对精氨酸的需求也大大超过机体自身的合成能力。精氨酸的缺失将直接造成负氮平衡，影响生长激素的分泌，而生长激素的分泌又直接影响胶原蛋白的合成以及对所有营养物质的代谢。所以，胶体中精氨酸的存在对烧烫等创伤的营养需求是至关重要的。此外，B族维生素及无机电解质等也是烧烫等创伤机体所必需的营养物质。例如，B族维生素不仅是形成上皮组织所必需，而且具有消炎、促进血液循环等作用。正是这些营养物质的协同作用，才提高了治愈的效果。

⑤在胶体系统中含有较高比例的脯氨酸，它是形成胶原蛋白羟脯氨酸的前体。在胶体系统中含有大量的钙离子，它可促进各种凝血因子的活化。钙离子与其它凝血因子构成凝血因子复合物，促进胶原蛋白形成交联纤维凝块。可见，脯氨酸、钙离子等的协同作用的结果，使之促进了生肌和伤口的愈合。

作为天然生物材料的珍珠层粉，在治疗烧烫等创伤中具有确实的临床治疗效果。将珍珠层粉这一天然生物材料经力化学等近代技术手段处理，则其微结构的内部与表面都发生了明显和永久性的改变。同时，这种处理结果，使珍珠层粉的无机与有机成份成为一胶体系统，并使牛磺酸这一特殊的双亲分子更好地发挥有机的调制作用，使这一胶体系统对机体有更好的相容性，从而使这一改性与活化后的珍珠层粉便可作为修复烧烫等创伤表面活组织的医用生物材料。

作为医用生物材料，它不等同于药，或者说它不是药。就某种意义而言，医用生物材料比药有更大的应用价值和更广的应用领域。1992年Black J曾对医用生物材料作出如下定义：医用生物材料是“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”。

作为医用生物材料，其最主要的特点是具有生物相容性。改性与活化的珍珠层粉，它的生物相容性表现为：

层粉中部分有机物与无机物可被机体所吸收；

可对机体创面的渗出物、脱落物进行吸附；

可提高机体的免疫水平；

对机体创面有消炎、抑菌作用；

无毒、无副作用；

不过敏、不致癌、不致畸变；

可修复创面活组织。

通过对珍珠层粉的结构、功能与信息的分析，可以使我们对改性、活化的珍珠层粉，可作为医用生物材料有一个新的认识、新的定位，以利于拓展其应用领域。

傅维椿

2002年11月4日