Nat. Mater.:骨骼中纳米级的复合结构决定它的强度和抗损性能
一般材料的强度和韧性是此消彼长的关系,强度越高的材料,韧性就会越差,反过来说就是韧性越好的材料它的强度就越差。但是一些生物材料,如珍珠质、牙本质、骨骼等却能同时拥有高的强度和好的韧性,很多研究表明它们的这些性质与纳米尺寸的层次结构有关。
骨骼可以分为皮质骨和松质骨,皮质骨占全部骨重量的80%,而松质骨只占20%。松质骨是多孔的,分布于长骨的两端、短骨、扁骨及不规则骨的内部。
图1 松质骨(图片引自网上)
骨骼在纳米尺寸上主要是由胶原蛋白纤维和碳酸化羟基磷灰石(cHA)组成的,通常认为cHA是结晶的,但是最近却发现无定形磷酸钙(ACP)的存在,这些矿物质的形成机制还没有弄清楚。另一方面,为了解释骨骼高强度和高韧性共存的原因,科学家提出的模型经常是基于胶原蛋白纤维和cHA形成有序结构这一假设,而ACP的发现,使得重新评估这一模型显得非常有必要。
最近加州理工学院的Ottman A. Tertuliano(通讯作者)和 Julia R. Greer用松质骨进行实验,证实骨中存在有序相和无序相,而ACP就存在无序相中。他们随后用有序相和无序相制得直径为250-3000nm的小圆柱进行压缩实验,发现随着尺寸的降低,小圆柱的强度提高了,而且发生了从韧到脆的转变,最后他们用提出了新的模型来解释这些现象。
图2 不同尺度上松质骨的结构 (a)宏观(b)毫米尺度上的多孔结构(c-e)微观尺度上的有序相和无序相
图3 有序相(a,c)及无序相(b,d)的形貌及衍射花样,可以看出有序相的纤维排列也是有序的,cHA是结晶的,而无序相中纤维相互缠绕,有ACP的存在。
图4 (a-c)直径分别为3000、500、250nm的有序相圆柱压缩前(左)和压缩后(右)的形态,(d-f)则是相应的无序相的。可以看出断裂方式由剪切式变为塌方式,说明小圆柱由韧变脆;g,h)是相应的应力-应变曲线,也说明材料由韧变脆;(i-k)直径为3000纳米的圆柱压缩后不同位置的侧面剖视图,证明裂痕由最初在表面产生。
图5 (a)有序/无序相屈服强度与直径之间的关系以及通过模型计算的值,可以发现只有进入纳米尺度上,圆柱的强度才开始提高,并且理论值和实际值也比较吻合。(b)基于空洞随机分布提出的模型,图中的不规则图形代表空洞。
作者的实验支持了胶原蛋白纤维的三维结构对cHA的结晶有影响的观点,他们发现无论有序相还是无序相,空洞都是最先形成裂纹的,这使得他们的强度几乎一样,说明有序相的存在不会影响骨骼整体的强度,作者的成果使得对骨骼的仿生更进一步。
文献链接:The nanocomposite nature of bone drives its strength and damage resistance(Nat. Mater.,2016,DOI: 10.1038/NMAT4719)
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