甲壳素，登上Science子刊！

甲壳素剪切弹塑性的分子起源揭示

甲壳素是自然界中储量仅次于纤维素的第二大多糖，广泛存在于甲壳动物外骨骼、昆虫角质层及箭虫捕食棘等生物结构中，赋予生物体优异的刚性与韧性。然而，在提取、加工及实际服役过程中，甲壳素纳米纤维和纳米晶体会承受局部剪切应变，这不仅影响其自组装行为，还可能导致材料从刚性向延性转变。尽管已有研究表征了甲壳素在低应变下的弹性张量，但生物体系在实际运动中常需承受大变形，例如昆虫超长鞭毛的剧烈弯折、跳跃与运动等生理功能，对其剪切弹性和可塑性提出了双重需求。目前，对于甲壳素在大剪切应变下的非弹性行为及其原子尺度机制，仍缺乏系统认识，实验表征与理论模拟之间的鸿沟亟待弥合。

近日，加拿大英属哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授、Simcha Srebnik教授和美国橡树岭国家实验室Jeremy C. Smith研究员合作，研究通过整合原子力显微镜纳米操纵与全原子及粗粒化分子模拟，系统揭示了α-甲壳素多尺度结构在剪切加载下的各向异性弹塑性行为及其分子起源。研究发现，沿分子轴向的剪切通过相干原子重排实现弹性恢复，而垂直于轴向的剪切则通过局域滑移诱导类液塑性。这一各向异性力学行为使甲壳素能够在承载区域储存能量，同时在高应变事件中通过横向塑性实现可控能量耗散，为甲壳素基材料的设计奠定了分子基础。相关论文以“Molecular origin of anisotropic shear elastoplasticity in chitin”为题，发表在Science Advances上。

实验部分，研究者利用原子力显微镜探针对α-甲壳素纳米晶体进行横向和轴向纳米操纵剪切（图1A、C）。在横向剪切中，探针横向移动诱导上层甲壳素纳米片层与下层发生界面滑移，形成约70°的扭结角，最大剪切力约为0.64微牛（图1B）。而在轴向剪切中，纳米晶体上层沿轴向滑移，未形成明显扭结，最大剪切力较横向高出约0.17微牛（即绝对值约为0.81微牛）（图1D）。进一步的三轮连续横向剪切实验显示，扭结角分别约为42.9°、42.4°和44.2°，对应的最大剪切力依次为0.68、0.48和0.32微牛，三轮后力值降低约53%，表明反复的边界滑移和扭结形成逐步削弱了结构完整性（图1E）。力-位移曲线呈现锯齿状特征，表现为周期性的力积累与松弛事件，符合粘滑机制（图1F）。统计结果表明，轴向剪切下平均剪切力约为1.07微牛，比横向高出约36%；后续剪切周期中，轴向力值降低12%和30%，而横向降低24%和47%，横向结构韧性损失更为显著。同时，横向剪切样品扭结角分布在22.4°至95.5°之间，而轴向样品几乎保持平直，仅一个样品出现15.5°的可测弯曲（图1G）。原子力显微镜形貌图还显示，轴向剪切后高度变化范围为-0.32至0.52纳米，横向为-0.35至0.17纳米，反映了剪切诱导的局域结构膨胀或压缩。

图1. α-甲壳素纳米晶体的实验力学响应。(A) 利用原子力显微镜探针对α-甲壳素纳米晶体进行横向剪切的示意图。(B) 原子力显微镜图像显示α-甲壳素纳米晶体在原子力显微镜探针横向光刻剪切下的形貌。(C) α-甲壳素纳米晶体轴向剪切的示意图。(D) 原子力显微镜图像显示α-甲壳素纳米晶体在轴向光刻剪切下的形貌。(E) α-甲壳素纳米晶体经历三轮连续横向光刻剪切的原子力显微镜图像。(B)、(D)和(E)中的色标以纳米为单位标示高度。(F) 三轮连续原子力显微镜光刻剪切沿晶体横向方向的力-探针位移曲线。(G) 原子力显微镜纳米力学测量中剪切力和弯曲角的统计分布。渐变颜色散点由连线指示经历迭代轮次原子力显微镜光刻剪切的样品。

为从原子尺度解析上述各向异性行为，研究者构建了包含7%脱乙酰度的α-甲壳素晶体区域模型，并采用非热准静态剪切方法沿多个晶向进行模拟（图2A）。在“全gg”羟甲基构型下，横向(xy)和轴向(yz)剪切中，7%脱乙酰度样品的剪切模量分别降低13%和10%，最大剪切应力分别降低9%和23%（图2B）。所有构型的初始剪切模量在2至11吉帕之间，与密度泛函理论预测一致。应力降的互补累积分布函数分析显示，轴向(yz)剪切下应力降呈幂律分布，在0.45吉帕处出现明显拐点，该幂律趋势可延伸至约1.45吉帕；而横向(xy)剪切则偏向指数或威布尔分布，应力降多集中在0.05至0.45吉帕区间，表明横向塑性涉及动态滑移和局域应力释放之外的额外机制（图2C）。归一化剪切应力分布进一步显示，横向(xy)取向在0.47处出现峰值，表明屈服后软化；轴向(xz)取向则在6.63处达最高，呈现显著应变硬化；轴向(yz)取向呈双峰分布，峰值位于0.94和1.73，反映随应变局部化推进的逐步强化（图2D）。

图2. α-甲壳素晶体区域的原子模拟力学响应。(A) 脱乙酰度为7%的α-甲壳素晶体区域结构模型，灰色和紫色分别代表GlcNAc和GlcN单元，两个单元的C₆位置可为"gg"或"gt"构象。GlcNAc单元C₂位的N-乙酰基可脱乙酰化为氨基。x、y和z方向对应α-甲壳素晶体区域的晶轴。施加剪切时，模拟晶胞发生倾斜变形。"xy剪切"和"yz剪切"表示相对于笛卡尔轴定义的变形模式（原文另有"xx shear"标注，可能为笔误）。(B) 不同剪切取向的应力-应变曲线，所有羟甲基构象为"gg"，对比有无7%脱乙酰度的样品。(C) 不同剪切取向的互补累积分布函数，数据来自所有"全gg"、"全gt"及"gg和gt混合"构象的样品，含或不含脱乙酰化（原文此处有OCR识别误差，根据上下文译为"所有"）。(D) 归一化剪切应力的统计分布，归一化采用τⱼ/τᵢ，其中τᵢ为第一次应力降事件前的最大应力值，τⱼ为第一次应力降事件后的其余峰值应力值。数据采集自"全gg"、"全gt"及"gg和gt混合"构象的样品，含或不含脱乙酰化。

原子轨迹分析揭示了不同剪切取向下的空间演化机制。在横向(xy)剪切下，剪切应变达到30%时，甲壳素链绕z轴旋转以适应变形，原子应变云图以红色区域标示剧烈旋转和平移的原子（图3A-B）。随应变增至70%，晶体沿(120)晶面发生明显边界滑移；至100%应变时，变形机制从剪切带传播转变为局域应变爆发。在轴向(yz)剪切下，晶体即使在脱乙酰后仍保持滑移行为，形成锯齿状剪切带，但锯齿晶界几何允许滑移层与未滑移区域有效重排，使晶体在持续剪切中免于局域失稳（图3C-D）。单轴应变分析显示，横向(xy)剪切下，垂直于(010)面的xz方向单轴应变随剪切增加呈先压缩后扩张趋势，实验高度变化范围与模拟结果吻合；而轴向(yz)剪切下，不同构型的单轴应变分布较为集中，反映更均匀的变形模式（图3E-G）。

图3. α-甲壳素晶体区域空间演化的模拟结果。(A) α-甲壳素晶体区域在xy剪切（横向）取向下的结构演化，分别显示剪切应变为0、0.7和1.0时的构型。(B) xy剪切过程中α-甲壳素晶体区域的解卷积剪切应变云图。(C) α-甲壳素晶体区域在yz剪切（轴向）取向下的结构演化，分别显示剪切应变为0.15、0.3和0.45时的构型。(D) yz剪切过程中α-甲壳素晶体区域的解卷积剪切应变云图。每幅应变云图对应(A)和(C)中所示剪切应变下的构型。xy和yz剪切方向均基于C₆位"全gg"羟甲基构象的α-甲壳素晶体区域。(E和F) 单轴应变随施加剪切应变的变化曲线，分别对应(E) xy剪切和(F) yz剪切取向。单轴应变分别基于(A)和(C)所示结构计算，方向轴分别标注为x、y、z。(G) xz方向单轴应变随施加xy剪切应变的变化曲线，该方向垂直于(010)面。数据采集自C₆位"全gg"、"全gt"及"gg和gt混合"羟甲基构象的α-甲壳素晶体区域样品，每种构象含三种不同7%脱乙酰化配置。实验上下边界由原子力显微镜高度变化比确定。单轴应变计算公式为ε = (ll - lf)/lf，其中l_l为α-甲壳素晶体区域初始长度，lf为每个剪切应变窗口下的长度。

原子尺度细节进一步阐明了剪切局域化的分子机制。在横向(xy)剪切下，应变达0.7时，邻近链发生显著旋转移位，吡喃糖环相对y轴的旋转角从约12°增至约55°~60°；至应变为1.0时，链间相对位移达约0.8纳米，链的极性方向与剪切方向呈现复杂角度关系，诱导局域化堆积和分子内压缩/拉伸（图4A-C）。在轴向(yz)剪切下，两个相邻链在应变为0.45时通过伦敦色散势（LD势）表面互锁，形成能量有利的堆叠构型，旋转角保持在约3°至7°的小范围内，相对位移沿z方向随应变线性增加，反映连贯的边界滑移（图4D、F-G）。原子位移概率分布显示，相比0.3至0.7区间，横向剪切在应变从0.7增至1.0时位移分布宽化更为显著，表明广泛原子参与非仿射运动；而轴向剪切在应变增加时分布变化较小，反映有序链重排主导变形（图4E）。

图4. 原子尺度细节揭示α-甲壳素晶体区域剪切局域化过程。(A和B) 甲壳素分子链分别在xy和yz剪切下的演化。(C) xy剪切应变为0.7和1.0时，x方向两个相邻甲壳素链的反平行排列。绿色渐变箭头表示链极性方向，从非还原端指向还原端。(D) yz剪切应变为0.45时，y方向两个相邻甲壳素链的伦敦色散势（LD势）表面互锁，等值面设为-0.7 kcal mol⁻¹。(E) 原子位移概率分布，分别对应xy剪切从0.3至0.7（橙色）和0.7至1.0（品红），以及yz剪切从0.15至0.3（绿色）和0.3至0.45（蓝色）。(F) G1和G2单元吡喃糖环旋转角随施加剪切应变的变化，基于(C)和(D)所示单元，角度通过最小二乘法拟合C和O原子位置与y轴计算。(G) G1和G2单元在各自剪切方向上的相对位移随施加剪切应变的变化，指示xy剪切下y方向位移演化和yz剪切下z方向位移演化。

为连接原子尺度与介观尺度的力学行为，研究者进一步对包含多个α-甲壳素晶体聚集体的粗粒化模型进行了剪切模拟（图5A）。在横向剪切下，应变达0.6时出现边界滑移，横向相对位移为4.51纳米；至应变1.2时，发生明显边界滑移，相对位移增至23.89纳米，并形成58.2°的扭结角，与原子力显微镜实验角度范围一致（图5B）。轴向剪切下，结构在应变0.65至0.8间发生波纹化和矫直，相对位移从10.61纳米增至12.26纳米，随后随持续剪切增至20.94纳米（图5C）。应力响应方面，轴向呈锯齿状离散松弛事件，应力降幅0.05至0.3吉帕；横向则在大应力降事件后趋于连续塑性流动（图5D）。互补累积分布函数分析表明，轴向剪切下均质模型在小应力降范围内呈幂律标度（∝δτ⁻⁰·¹²），非均质模型因局域滑移增加而斜率降低（∝δτ⁻⁰·²⁸）；横向剪切下均质模型呈指示连续塑性流的幂律（∝δτ⁻¹·²），非均质模型在约0.01吉帕处出现拐点（图5E）。非仿射位移场分析显示，横向剪切下位移分布呈高斯核心并随应变展宽，反映原子运动受限导致的非均匀变形，暗示类液变形和堵塞效应；轴向剪切下则偏离高斯行为，反映边界滑移和有序重排占主导（图5F）。

图5. α-甲壳素晶体聚集体的介观力学行为。(A) α-甲壳素晶体聚集体的代表性粗粒化模型结构，由27个α-甲壳素晶体区域组成，以螺旋状排列。黄色、蓝色和红色分别代表不同取向的晶体区域，为便于观察仅显示部分晶体。(B) 粗粒化模型中横向剪切诱发的扭结形成和边界滑移。(C) 粗粒化模型中轴向剪切诱发的波纹化和边界滑移。(D) 粗粒化模型中轴向（上）和横向（下）剪切的应力-应变曲线。(E) 四种粗粒化模型（均质"全gg"和非均质构型）在轴向和横向剪切下的应力降互补累积分布函数。(F) 非仿射位移概率分布在横向剪切不同应变下的演化。

综合实验与模拟结果，该研究确立了α-甲壳素多尺度结构剪切弹塑性的分子基础：轴向弹性支持承载区域的能量储存，横向塑性则实现可控能量耗散。这种非线性各向异性力学特性与螳螂虾指节等生物结构中甲壳素的能量耗散和抗冲击功能相呼应。研究指出，甲壳素相关蛋白在将甲壳素纳米结构组装为有序螺旋结构中发挥关键作用，进一步放大了甲壳素多尺度结构自身的能量存储和耗散功能，从而强化了无脊椎动物外骨骼的保护作用。未来研究需结合断裂和失效机制、热激活过程及应变率效应，以更全面理解从变形到失效的连续过程，并为基于甲壳素的层压板和胶合板仿生复合材料设计提供指导，实现刚度、韧性和剪切顺应性的战略平衡。