骨骼启发下的新材料突破，我们能从自然界学到什么？
2024-06-24 19:33:01
武汉理工大学傅正义院士团队的平航副研究员，在材料制备领域取得了突破性进展，其研究成果在《科学》杂志上发表。该团队从自然界生物物质的制造过程中汲取灵感，特别是骨骼的形成过程，开发了一种新型的材料制备技术——仿生材料制备技术。
生物物质如贝壳、牙齿和骨头等，经过数十亿年的进化和自然选择，形成了独特的微结构和卓越性能。傅正义团队认为，这些生物制造过程的精妙之处，可以为材料制备技术提供新思路。
团队以骨骼的矿化胶原纤维为模型，设计了一套胶原纤维内限域合成与原位研究的实验系统。通过在肌腱组织中合成碳酸锶晶体，首次观察到合成产物产生了兆帕级的收缩应力，并成功制备了预应力复合微管。利用先进的分析技术，如原位拉曼分析和同步辐射X射线散射分析，揭示了碳酸锶晶体在胶原纤维中的结构形成和预应力形成机制。
此外，团队还设计了一种多功能重组蛋白，能够在胶原纤维空缺区域调节羟基磷灰石的生长，实现氟化钙纳米晶体在胶原纤维内的周期性有序合成与结晶。这一发现颠覆了传统观点，即前驱体不是直接沿纤维长轴扩散，而是先进入胶原的空缺区域，然后扩散至重叠区域。
这项研究不仅对理解骨骼形成过程具有生物学意义，而且对开发具有多功能的新型复合材料提供了重要指导。武汉理工大学材料复合新技术实验室与德国马普胶体界面研究所合作，平航作为第一作者，傅正义院士和国际同行为共同通讯作者，共同推进了这一领域的研究。