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薄殼生物材料保護與破壞機制之探討—以鳥蛋為例

為了解決conch shell price的問題，作者曹書涵 這樣論述：

在長期的演化下，生物為了適應生存環境，而各自發展出獨特的生物材料及生活方式。其中，蛋殼與鳥巢為鳥類得以長時間生存下來，並於世界各地成功繁衍的關鍵。儘管目前對於鳥類蛋殼的研究很多元，但是大多僅針對單一物種進行討論，尤其以雞蛋居多，少有跨物種的討論，而對於蛋殼與鳥巢之間的關係仍存在著許多疑問。因此，本研究利用線上資源整理了1,385個物種的鳥蛋與鳥巢資料，透過有限元素分析取得鳥蛋的機械性質，並定義一無因次化的勁度參數，對不同大小及形狀的蛋殼進行單一量化的比較。與鳥巢特徵—築巢地點、鳥巢型態、附著方式分別進行統計分析，發現對於使用較不穩定築巢地點與附著方式的鳥類，其蛋殼因具有較高碰撞風險而演化出較

高的無因次參數，而鳥巢結構則對鳥蛋機械性質影響不大。另外，透過貝氏推論回推鳥類祖先之蛋殼無因次參數，發現其中位數於演化過程中為一不變量，但隨著新興鳥巢的出現，其標準差有越來越大的趨勢。鳥類蛋殼無因次參數隨著演化時間越趨多元，顯示鳥類為適應多樣的生存環境而進行無因次參數與築巢環境間的取捨。本研究亦與台北市立動物園合作，建立一套實驗流程，一共分析了56個物種，超過800顆樣本。針對壓縮試驗過程中所觀察到的破壞現象，將蛋殼歸納出四種破壞機制：徑向破壞、環狀破壞、裂縫偏轉以及裂縫捕獲。並探討影響裂紋生長的因素，與不同破壞機制對鳥類繁殖方式的影響。本研究以工程的觀點討論生物薄殼材料的保護與破壞機制，利用

本研究所建立的分析方法，能對蛋殼有更深入及全面的了解。期許能為鳥類演化及生物材料領域，提出創新的想法及貢獻。

由不同動物牙齒之牙釉層的微觀結構來探索前瞻材料的準則

為了解決conch shell price的問題，作者曹鈞凱 這樣論述：

生物礦物化材料呈現錯綜複雜的微觀結構和層次組織，具有這此精巧的組織架構之生物材料往往展現驚人的力學性質和磨潤性能。其中牙齒的牙釉質是礦化物最高的生物材料之一，近年的研究發現人類牙釉層的功能梯度特徵及奈米結構是形成優異的機械物理性質的關鍵。本研究將對於不同動物之牙齒牙釉質之機械物理性質，和不可預期之外在環境與各種因素等探討，以探索生物礦物化材料為了對抗外在因素與生存能力所選擇演化之關聯。 為了探討不同動物牙齒臼齒之牙釉質的機械性質和軟硬交錯的微結構生物礦物化材料優異性質的原因，我們收集了多種不同食性的動物牙齒，研究牙釉質表面微觀形貌及縱切面面的機械性質以及有機物成份分佈，比較彼此間的差異

性與演化的相關性。本實驗透過原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)了解牙齒表面微結構。奈米壓痕儀(Nano Indentation)利用深度感測技術進行極小尺度壓痕，以獲得硬度和彈性模量。MATLAB Image Processing Toolbox套裝軟件撰寫影像處理程式碼了解牙齒表面牙釉質之釉桿柱結構所占的面積比與釉桿柱大小。物理性質係數相圖技術(Modulus mapping)可評估黏彈性的分布。精密動態分析技術(Dynamic Mechanical Ananlysis, DMA)可了解到牙釉質縱切面的黏彈性質。傅里葉轉換紅外光譜(Fourier Tran

sform infrared spectroscopy ,FTIR)分析牙釉質縱切面有/無機化合物成份分布。量測牙齒表面層到DEJ(Dentin Enamel Junction)處，可知道牙齒並不是均質材料，而是需與物種進食方式與年齡等所演化出的梯度性質與黏彈性能，特別是草食動物，因為草食動物進食時大量使用臼齒做研磨的動作，使臼齒大量受力，進而發現縱切面除了有硬度梯度之外，也有儲存模數的梯度性質，其牙釉層組成成份運用儀器得出牙釉質內磷酸根的斜率與硬度梯度相關，透過生物觀點找到動物壽命與牙釉層厚度與上述所量測之所有實驗結果都環環相扣觀察牙齒牙釉質表面形貌，發現哺乳類動物已發展釉桿柱微結構，再更深

入的探討，發現由釉膠原蛋白以及礦物質組成的釉桿柱含有明顯的黏彈性分布，並且得知13種動物牙齒之釉桿柱面積比都在一定的範圍內，從力學的觀點能夠得知，如此軟硬交錯且由為小尺度構成的生物複合材料，比較能夠抵抗破裂。動物間無法彼此溝通，但都能發展出相同的型態，就因如此，我們能從此方面去探討生物礦物化材料使得從中學習與啟發。