Mangan a vápník posilují pavoučí drápy
Němečtí a izraelští bioinženýři studovali vztah mezi strukturou, složením a mechanickými vlastnostmi drápů tygřího putujícího pavouka (Cupiennius salei) a došli k závěru, že ionty manganu a vápníku lokálně posilují svá místa díky zesíťování vazebných proteinů kutikuly. Z hlediska odolnosti vůči tření předbíhají drápy tohoto pavouka mnoho organických biologických struktur a jsou na stejné úrovni jako sklovina a perleť.
Drápy, žihadla a tesáky zvířat byly dlouhodobě vylepšovány pro úspěšnější propíchnutí oběti, proříznutí jejích tkání a uchopení povrchu. Stejně jako mnoho jiných přírodních struktur jsou vyrobeny z malého množství materiálů: polysacharidy jako chitin a celulóza, proteiny jako keratin, kolagen a fibroin a minerály (uhličitan vápenatý a fosforečnan a oxid křemičitý). Navzdory tomu jsou mechanické vlastnosti biomateriálů rozsáhlé, především díky heterogenitě složení a hierarchické architektuře.
Příkladem takového materiálu je kutikula členovců. U pavouků je základem drápů na nohách, stejně jako chelicera. Drápy jim pomáhají pohybovat se, lézt a držet se na drsném povrchu. A pomocí chelicery zvíře propíchne exoskelet oběti a vstříkne pod něj jed. Kutikula se skládá z nitkovité prokutikuly a vnější epikutikuly. V nich jsou chitin-proteinová vlákna složena buď do vrstev s rovnoběžným směrem vláken, nebo do struktury prokládané překližky, ve které se směr krystalů chitinu mění z vrstvy na vrstvu.
Taková variabilita ve struktuře vláken vede k výrazným změnám mechanických vlastností kutikuly v různých částech těla jednoho zvířete. Navíc u pavouků Cupiennius salei jsou chelicery lokálně zesíleny v důsledku zesíťování histidinových oblastí proteinů s ionty zinku. Procesy mineralizace jsou běžnější u korýšů, ale i jiní členovci akumulují ionty zinku, manganu a vápníku v kutikulárních adaptacích (například u hmyzu v žihadlech, čelistech a vejcovodech).
Mechanické chování kutikuly bylo do značné míry studováno, ale rozsáhlá analýza vztahu mezi její strukturou, vlastnostmi a funkcemi nebyla provedena. Taková analýza by vytvořila mechanismus pro přizpůsobení se speciálním funkcím na materiální úrovni.
Mariam Tadayon a Yael Politi a kolegové z Institutu Maxe Plancka pro koloidy a povrchy a Ben Gurion University modelovali mechanické namáhání drápů Cupiennius salei a určovali, jak se struktura kutikuly přizpůsobuje namáhání v různých jejich částech, a poté porovnávali přizpůsobené struktury chelicery a pavouka pavouka s jinými biologickými objekty.
