Crystallographic texture of the arthropod cuticle using synchrotron wide angle X-ray diffraction

Sawalmih, Ali al-; Raabe, Dierk

doi:HT015387963

Crystallographic texture of the arthropod cuticle using synchrotron wide angle X-ray diffraction = Kristallographische Textur der Kutikula der Gliederfüßer mittels Synchrotron Röntgenweitwinkelstreuung

Sawalmih, Ali al-

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ali Al-Sawalmih

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangIII, 135 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Zsfassung in dt. und eng. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-10-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-20838
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62558/files/Al_Sawalmih_Ali.pdf

Einrichtungen

Fachgruppe für Metallurgie und Werkstofftechnik (520000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kutikula (Genormte SW) ; Röntgenweitwinkelstreuung (Genormte SW) ; Calcit (Genormte SW) ; Chitin (Genormte SW) ; Gliederfüßer (Genormte SW) ; Textur (Genormte SW) ; Synchrotron (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; cuticle (frei) ; wide-angle X-ray diffraction (frei) ; calcite (frei) ; arthropods (frei) ; texture (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Kutikula der Krebstiere [Crustaceae] enthält organische alpha-Chitin-Protein Fasern in Verbindung mit Kalzitkristallen und einem beträchtlichen Anteil an amorphem Kalziumcarbonat (ACC). Die Kutikula des Pfeilschwanzkrebses Limulus polyphemus hingegen enthält überwiegend alpha-Chitin-Protein Fasern, jedoch keine kristallinen Biomineralien. In der vorliegenden Studie wurden die Orientierungen (Kristallographische Textur) des Kalzits und der alpha-Chitin Fasern mittels Röntgen-Weitwinkelpolguranalyse untersucht, sowohl ihr Verhältnis zueinander als auch zur Geometrie der Kutikula. Untersucht wurde die Kutikula der Krebstiere Cancer pagurus (eine essbare Krabbe) und des amerikanischen Hummers Homarus americanus. An der Kutikula des Pfeilschwanzkrebses wurde die Orientierung der alpha-Chitin Fasern untersucht. Mittels Synchrotron Röntgen-Weitwinkelexperimenten konnte gezielt die Textur an verschiedenen Stellen des Exoskelettes untersucht werden. Die mögliche Funktion der organischen Makromoleküle bei einer Kontrolle der Epitaxie der Minerale bei der Biomineralisation und ihr Verhältnis zur topologischen Textur bedingen das spezielle Interesse an der ristallographischen Textur biologischer Materialien. Die vorliegende Studie zeigt die ausgeprägte kristallographische Textur der Krabben- und Hummerkutikeln und die deutliche Korrelation der Vorzugsorientierungen der Kalzitkristalle und der alpha-Chitin Fasern. Es wurde gezeigt, dass die kristallographische c-Achse des hexagonalen Kalzits und die b-Achse des orthorhombischen alpha-Chitins vorzugsweise parallel zu einander und normal zur Oberfläche der Kutikula orientiert sind, wobei die anderen Achsen parallel zur Oberfläche angeordnet sind. Die beobachtete Orientierungsverteilung der c-Achse (Faserachse) der alpha-Chitin Fasern entspricht einer "twisted plywood structure" die auch auf SEM Aufnahmen beobachtet werden konnte. Weiters ist ein kleinerer Teil des alpha-Chitin mit der Faserachse zur Oberfläche hin orientiert, was ebenfalls durch SEM Aufnahmen beobachtet werden konnte. Die Textur der Pfeilschwanzkrebskutikula enthält zwei starke Fasertexturkomponenten die normal zu einander orientiert sind. Die Erste ist durch eine starke Orientierung der kristallographischen b-Achse parallel zur Oberflächennormale gekennzeichnet, wobei die anderen Achsen parallel zur Oberfläche angeordnet sind, vergleichbar der starken Fasertexturkomponente bei den untersuchten Krebstieren. Die zweite Texturkomponente ist durch eine starke Orientierung der c-Achse (Faserachse) der alpha-Chitin Fasern mit bevorzugter Anordnung parallel zur Oberfläche gekennzeichnet. Die Ergebnisse der Synchrotronexperimente ermöglichten erstmals eine statistische Beschreibung der Orientierungsverhältnisse der organischen und anorganischen Komponenten von Artropodenkutikeln und den Vergleich mit der morphologischen Textur, die mittels SEM Aufnahmen bestimmt wurde. Die Resultate deuten darauf hin, dass die Faserstruktur des alpha-Chitins direkt oder indirekt als Template für die orientierte Nukleation und das epitaktische Wachstum der Kalzitkristalle fungieren.

Arthropods, which include the crustaceans (e.g. crabs, lobsters, isopods), insects, arachnids (e.g. spiders, scorpions, ticks, mites), and several lesser groups, account for approximately 80 percent of all known animal species. The outer covering of these animals is referred to as exoskeleton or cuticle, and it covers the entire body of the animal. It has remarkable mechanical properties which provide structural support to the body, armor against loads that are externally imposed by predators. It also enables mobility through the formation of joints and attachment sites for muscles. Crustacean cuticle contains alpha-chitin-protein organic fibers associated with crystallites of calcite and considerable amounts of amorphous calcium carbonate (ACC). However, the cuticle of the horseshoe crab Limulus polyphemus contains mainly alpha-chitin-protein fibers, but no crystalline biominerals. In this study, X-ray pole figure analysis was performed to investigate the preferred orientation (crystallographic texture) of calcite and alpha-chitin, in the crustaceans, edible crab Cancer pagurus and american lobster Homarus americanus cuticles, with respect to their orientation relationship firstly, and their alignment with respect to the cuticle geometry secondly. The preferred orientation of alpha-chitin in the cuticle of horseshoe crab was also determined. Synchrotron wide-angle X-ray diffraction (XRD) was employed in studying the texture of samples from different parts of the exoskeleton. The importance of the crystallographic textures in biological materials lies in its direct relationship with its possible role of the contained macromolecules in controlling the epitaxy of the minerals during the biomineralization process. Furthermore, it reveals information about the topological texture, which is represented by the fibers' arrangements in the cuticle. This study shows that crab and lobster cuticles reveal a strong crystallographic texture and preferred orientation correlation between the orientation distribution of calcite and alpha-chitin. It was observed that the c-axis of the hexagonal calcite and the b-axis of the orthorhombic alpha-chitin are firstly preferentially aligned parallel to each other and secondly oriented along the surface normal, whereas the other axes are co-aligned with respect to each other throughout the cuticle plane. The observed spatial rotational freedom of the c-axis of alpha-chitin (fiber axis) represents the twisted plywood structure of the alpha-chitin fibers as observed in scanning electron microscopy (SEM). Additionally, a smaller fraction of the alpha-chitin unit cells in lobster and crab cuticle is oriented with their fiber axis toward the cuticle surface, which was also observed in the SEM images of the cuticle. The texture of the horseshoe crab contains two strong fiber texture components perpendicular to each other. The first one is characterized by a very strong crystallographic orientation of b-axis parallel to the surface normal, whereas the other axes are co-aligned through the cuticle surface plan, which is similar to the observed strong fiber texture component in crustacean cuticle. The second fiber texture component is characterized by a strong crystallographic orientation of c-axis (alpha-chitin fiber direction) with a preferred alignment pointing parallel to the cuticle plane. The synchrotron X-ray crystallographic texture results gave for the first time a statistical description of the orientation relationship between the organic and inorganic components in arthropod cuticle, consistent with the morphological texture determined by SEM. This result strongly suggests that the fibrous structure of alpha-chitin assists the growth of calcite crystals in crustacean cuticle by functioning directly or indirectly as a template for nucleation and subsequent growth of calcite on the basis of oriented nucleation and epitaxial growth of calcite.

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