编辑推荐：
淡水海绵Cauxi的二氧化硅针状体与双层germule结构通过多尺度力学分析揭示其低刚度（31-40 GPa）和抗损伤特性，为轻质复合材料设计提供环境适应性启示。
郝成全|马克·A·迈耶斯|杨泽宇|张轩|马库斯·科赫|比吉特·诺特杜夫|巴特-扬·尼布尔|托比亚斯·克劳斯|戴婷玉|谢伦·T·塔瓦雷斯|爱德华·阿茨
南京大学工程与应用科学学院材料科学与工程系，中国南京210023
摘要
海绵是一种简单的后生动物，它们在常温条件下构建出分层的矿物-有机结构，为轻质、耐损伤的结构材料提供了生物灵感。然而，与研究较为充分的海洋物种相比，淡水海绵的多尺度力学特性仍然尚未得到充分探索。本文首次对一种亚马逊淡水海绵（Cauxi）进行了定量研究，将其生物生成的二氧化硅刺与双壳结构、由刺加固的芽囊联系起来，以解释其在水生和陆地交替条件下的生存机制。通过多尺度结构表征和微观/纳米力学测试发现，Cauxi中的二氧化硅刺的硬度和韧性低于熔融玻璃，这与它们的非晶态、纳米多孔结构相符。微柱测试显示，在实验不确定性范围内，刺的方向性没有统计学上的显著依赖性，反映了刺的非晶特性。芽囊的结构——由两层壳组成，中间夹着轻质泡沫，并由具有星形外端和盘状内基的短刺加固——能够抵抗局部载荷，表明壳的屈曲和肋的加固是其保护机制。基于这些观察结果，我们提出了简单的尺度推论和可测试的预测，将Cauxi视为在常温条件下形成的轻质、耐损伤胶囊和短纤维增强复合材料的模型。这些结果阐明了环境特定的结构-性能权衡，并为设计结构材料提供了通用性线索。
引言
海绵是地球上最古老的生物之一。它们是缺乏神经系统的简单后生动物，却能在多种水生环境中繁衍生息[1]。多孔动物门（Porifera）包含超过5000个物种，分为三个纲： demospongiae、hexactinellida和calcarea[2]。尽管大多数物种生活在海洋环境中，但全球的湖泊和河流中已记录了大约240种淡水海绵，包括贝加尔湖（俄罗斯）、提比利亚斯湖（以色列）和拉古尼塔湖（加利福尼亚）[2]。它们多孔的身体有助于水循环，从而实现营养和氧气的过滤，支持栖息地形成和营养循环等关键生态功能[3]。它们骨骼的结构强度使其具有出色的适应性，能够承受从动态的高压海洋深处到温和波动的淡水湖泊等各种环境中的机械应力[3]。
海绵具有不同成分的矿物骨骼：demospongiae和hexactinellida具有硅质骨骼，而calcarea则以碳酸盐矿物成分为主[4]、[5]、[6]。尽管没有神经元和肌肉，海绵仍能进行协调的蠕动运动[7]。虽然骨骼力学在整个多孔动物门中都很重要，但以往的研究主要集中在海洋玻璃海绵及其生物生成的二氧化硅刺上，相对忽视了淡水物种。Aizenberg等人研究了hexactinellida物种Euplectella aspergillum的光学特性，强调了其与合成光纤的相似性以及常温合成技术的优势[8]、[9]。其多层刺结合了二氧化硅层和有机中间层（silicatein），可以阻止裂纹并提高弯曲性能[10]。这种矿物主要由沉积在silicatein纤维上的水合非晶态二氧化硅组成[11]、[12]、[13]。Aizenberg等人[10]、Levi等人[14]、Sarikaya等人[15]、Mayer[16]、Walter等人[17]和Woesz等人[18]对它的机械性能进行了详细研究。这些研究表明，生物生成的二氧化硅的硬度约为31–40 GPa，其断裂抗性优于熔融玻璃，这归因于层状结构和有机中间层的作用。
相比之下，淡水demospongiae的力学特性研究较少。它们的矿物网络由不同大小的刺（微刺和巨刺）组成，长度因物种而异[19]、[20]、[21]。由此产生的中等尺度孔隙起到过滤作用，可以捕获有机颗粒。这些刺的大小比游泳池中使用的底部过滤器（由硅藻残余物制成）要小。这些海绵还作为水污染的敏感生物指标[22]。一个研究较为充分的例子是北欧的Spongilla lacustris，其分支直径为6至12毫米，长度约为60毫米[23]。其骨骼结构由巨刺束组成，微刺长度约为71微米，直径约为5微米，嵌入海绵基质（spongin）中，中心有一条直径约为0.5微米的纤维。Woznica等人的力学测试显示，单个海绵臂的宏观响应为：抗拉强度为2.7千帕，抗弯强度为2.2千帕，弹性模量介于0.33至0.83兆帕之间[23]。这些低模量反映了完整活体海绵臂的水合组织力学特性，促使我们采用多尺度方法，将组织行为与矿物骨骼元素的特性区分开来。
除了骨骼在成年海绵中的结构重要性外，芽囊是另一种关键的适应性特征：它们是海绵繁殖体的保护性胶囊[24]、[25]。这些无性繁殖结构（功能类似于植物的种子）使海绵能够在干旱和冷冻等恶劣条件下存活，直到有利环境再次出现[26]。芽囊由全能的archeocytes（能够再生大多数海绵细胞类型的细胞）组成，外部包裹着spongin保护层，在某些情况下还包含刺，从而增强了海绵在环境剧烈波动条件下的生存和扩散能力[27]、[28]、[29]。尽管芽囊非常重要，但它们的力学特性尚未被研究。因此，了解芽囊的结构和力学特性对于将淡水海绵的生命周期与材料设计（例如轻质保护性胶囊）联系起来至关重要。
在这项研究中，我们关注一种来自亚马逊盆地的淡水海绵Cauxi（属于Drulia科）。Cauxi是从亚马逊上游马德拉河支流Guaporé河的一个季节性湖泊中采集的。在这些季节性洪泛区，这些海绵会在高水位时附着在淹没的木头上，并在干旱季节露出水面时存活下来。Cauxi海绵因其通过水解产生超纯非晶态二氧化硅的潜力而受到关注[30]。其硅质刺构成了骨骼框架[31]。考古证据表明，这种刺曾在哥伦布之前的时期用于加固亚马逊盆地的陶瓷[32]、[33]、[34]。尽管处理Cauxi海绵存在一定的风险，包括严重的皮肤刺激和眼部问题（有报道称游泳者暴露于含有刺和芽囊的水中会导致眼部损伤[35]、[36]、[37]、[38]，
据我们所知，本文是首次对整合了硅质刺和芽囊的淡水多孔动物系统进行定量力学研究的报道。我们（i）通过纳米压痕和微观力学测试确定了刺的结构-性能关系，（ii）描述了双壳、由刺加固的芽囊结构，（iii）提出了简单的尺度推论，将芽囊的保护和扩散与抗屈曲设计联系起来。我们的结果阐明了淡水特有的权衡，并为仿生保护性胶囊和在常温条件下形成的短纤维增强复合材料提供了通用性线索。
节选内容
骨骼和刺
Cauxi样本采集自亚马逊上游Guaporé河的一个季节性湖泊，在洪水期间它们会附着在淹没的树枝上，并在干旱季节露出水面后仍然存活。图1a展示了一个干燥的样本（长约10厘米，直径约5厘米），附着在树枝上，展示了野外常见的附着方式。与依赖大刺在平坦基板上保持稳定的海洋海绵（如Euplectella[10]）不同，
结论
本研究深入分析了Cauxi海绵的结构和力学特性，特别关注其刺和芽囊。Cauxi从Guaporé河采集，其显著的适应性体现在其结构上。其骨骼由巨刺和微刺组成，这些刺以束状排列并通过有机物质连接。微观力学测试表明，Cauxi刺的模量低于熔融玻璃，微柱的强度也没有
样本采集
本研究中使用的Cauxi海绵来自Guaporé河。样本长度约为10厘米，最大直径约为5厘米。采集后，样本在常温和常湿条件下风干保存。
海绵刺的分离
将海绵放入一个特氟龙容器中，容器内含有35% H2O2、69% HNO3和水的混合溶液，体积比为8:7:1。然后将容器浸入90°C的水浴中20分钟，以去除
CRediT作者贡献声明
郝成全：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，方法学，研究资金获取，形式分析，数据管理，概念化。马克·A·迈耶斯：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，形式分析，概念化。杨泽宇：撰写——审稿与编辑，可视化，形式分析。张轩：撰写——审稿与编辑，方法学，形式分析。马库斯·科赫：撰写——审稿与编辑，方法学，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢巴西陆军为此次前往Guaporé河的考察提供了后勤支持。感谢刘俊琪在图表编辑方面的帮助。H.Q.感谢江苏省自然科学基金（资助编号：BK20251210）和中央高校基本科研业务费（资助编号：2024300413）的支持。莱布尼茨协会也提供了资金支持，包括通过其竞争性项目MUSIGAND（资助编号：K279/2019）。M.A.M.表示感谢
