The elasmoid scales of teleosts: from structure to bioinspired materials

Zylberberg L.

Published date: March 2018
Volume: 42
Number: 1
Pagination: 007-017
Notes:

Louise Zylberberg, louise.zylberberg@upmc.fr
Institut des Sciences de la Terre de Paris, CNRS UMR 7143 Sorbonne-Université, Université Pierre et Marie Curie, 4 place Jussieu, BC 19, 75005 Paris, France

Abstract

The elasmoid scales of teleosts, remarkable by the diversity of their aspect and ornamentation, nevertheless present a similar structural organization. Each scale is composed of three superimposed layers. At the outer surface, the limiting layer, which may be absent in the anterior field, is the most mineralized of the three layers; it consists of a random meshwork of acidic glycoproteins. Collagen fibrils are the main component of the other two layers. The external layer is made up of thin collagen fibrils (30 nm in diameter) organized into a loose meshwork. This layer is the first to be formed and to be mineralized. Apatitic crystals are not coaligned with the thin collagen fibrils. The most extended part of the scale is the basal plate made up of thick collagen fibrils (about 100 nm in diameter), which are organized into a plywood-like structure. Apatitic crystals appear to be oriented in parallel to the direction of elongation of the fibrils, but they do not penetrate deeply within the fibrils. Most of the crystals are located in the interfibrillary matrix. Knowledge of the elasmoid scale structure may enable pathways to design bioinspired materials for various applications. Elasmoid scales are considered as a source of inspiration for biomimetic composites that would provide resistance, flexibility and lightweight. Because of their transparency and their composition in type I collagen, elasmoid scales are considered as a biomaterial useful for the repair of bone and cornea.

Keywords: Bioinspired materials - Elasmoid scales - Mineralization - Structure - Teleosts
French abstract

Les écailles élasmoïdes des téléostéens : leur structure, un modèle pour des matériaux bioinspirés

Les écailles élasmoïdes des téléostéens dont la diversité de formes et d’ornementations superficielles sont remarquables, présentent néanmoins une structure similaire. Chaque écaille est composée de trois couches superposées. La couche la plus superficielle est la couche limitante qui peut être absente dans la partie antérieure de l’écaille. C’est la couche la plus minéralisée des trois couches, elle est formée d’un réseau de fines fibrilles où ont été identifiées des glycoprotéines acides. Les fibrilles de collagène sont le constituant essentiel des deux autres couches. La couche externe est une couche continue formée d’un enchevêtrement de fines fibrilles de collagène (diamètre 30 nm). Cette couche est la première formée, elle est aussi la première à être minéralisée. Les cristaux d’apatite ne sont pas alignés le long des fibrilles de collagène. La plaque basale représente la partie la plus importante d’une écaille élasmoïde. Elle est constituée de fibrilles de collagène de plus fort calibre (100 nm) que dans la couche externe. Les fibrilles de collagène sont disposées en strates superposées où elles sont parallèles les unes aux autres et leur orientation varie d’une strate à la suivante. Elles forment un contreplaqué biologique. Les cristaux d’apatite ont leur grand axe parallèle à celui des fibrilles de collagène auxquelles ils sont accolés. Ils forment un manchon autour des fibrilles et ne pénètrent que très peu à l’intérieur des fibrilles. La plupart des cristaux sont dans la matrice extrafibrillaire. Les acquis concernant la structure des écailles élasmoïdes sont à l’origine de recherches menant à la création de matériaux bioinspirés aux applications variées. Les écailles élasmoïdes sont considérées comme une source d’inspiration pour élaborer des composés biomimétiques qui auraient à la fois résistance, flexibilité et légèreté qui sont l’apanage des écailles élasmoïdes. Grâce à leur richesse en collagène de type I dont l’organisation leur confère une transparence les écailles se sont révélées comme un biomatériau pouvant être utile pour réparer le tissu osseux et la cornée.

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