武汉理工傅正义院士Science：骨仿生复合材料

一、【导读】

生物矿化在自然界中无处不在，并与我们的生活息息相关。骨等生物混合材料将坚硬的无机纳米级矿物和柔软的有机基质巧妙地结合成层次结构，以实现特定的性能和功能。这种从纳米到宏观的复杂结构，使生物矿化材料的机械性能优于人工材料。胶原蛋白是人体细胞外组织的主要成分，从肌腱和骨骼到皮肤和动脉壁。在骨骼中，纳米尺寸的碳酸羟基磷灰石颗粒增强了胶原蛋白。胶原纤维也可以通过羟基磷灰石和其他矿物质（如碳酸钙、二氧化硅或氢氧化铁）在体外渗透。骨骼的抗断裂性通常归因于矿化的胶原纤维。骨骼具有分层结构，其中矿化胶原纤维组装成从亚微米到宏观尺度的高级结构。这种组织有双重优点：它提供了许多作为有效裂纹偏差的界面，从而增强了骨骼的韧性；并且它允许形成具有以不同基序组织的矿化胶原原纤维的组织，从而赋予不同的机械性能。骨骼的这种层次结构对于理解骨骼形成的机制以及其机械性能如何由其组成和其构件的排列产生至关重要。

二、【成果掠影】

近日，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室傅正义院士团队Hang Ping、德国马普所胶体与界面研究所Peter Fratzl团队Wolfgang Wagermaier等联合报道了一系列基于锶和钙矿物，并从中观测它们的沉淀会导致胶原原纤维收缩，高达几兆帕的应力，应力大小取决于矿物材料的类型和数量。通过in-operando同步辐射X射线散射，研究人员分析了矿物沉积动力学。当矿物质仅在原纤维外沉积时不发生收缩，而原纤维内矿化则会产生原纤维收缩。这种化学-机械效应发生在胶原蛋白完全浸入水中时，并产生拉伸纤维的矿物-胶原蛋白复合材料，这使人联想到钢筋混凝土的原理。该论文以题为“Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils”发表在知名期刊Science上。

三、【数据概览】

图一、SrCO₃矿化过程中肌腱中产生的应力

图二、不同pH值的SrCO₃溶液中肌腱产生的应力

图三、SrCO₃肌腱矿化过程中，同步加速器SAXS(力恒定模式，零应力)

图四、胶原组织中纳米晶体的晶格应变

四、【成果启示】

这项研究表明，沉淀和胶原收缩之间的化学机械耦合作用（之前在骨中观察到的羟基磷灰石）发生在多种矿物质中。此外，研究还表明，胶原纤维的应力转移到嵌入的矿物质中。因此，在20到40兆帕的范围内，其晶格平行于原纤被强烈压缩。这一现象不仅揭示了胶原蛋白的一个有趣特性，它还提供了一个激动人心的概念，通过内应力增强混杂材料的机械性能，类似于钢纤维预应力混凝土。因此，使用本工作中展示的先进的原位表征方法，为人们对生物矿化的一般理解、以及这些知识在生物医学、环境保护、材料设计和工程中的应用提供了解决这些问题的一个途径。

文献链接：Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils (Science 2022, 376, 188-192)

本文由大兵哥供稿。

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