武漢理工傅正義院士Science：骨仿生復合材料

一、【導讀】

生物礦化在自然界中無處不在，并與我們的生活息息相關。骨等生物混合材料將堅硬的無機納米級礦物和柔軟的有機基質巧妙地結合成層次結構，以實現特定的性能和功能。這種從納米到宏觀的復雜結構，使生物礦化材料的機械性能優于人工材料。膠原蛋白是人體細胞外組織的主要成分，從肌腱和骨骼到皮膚和動脈壁。在骨骼中，納米尺寸的碳酸羥基磷灰石顆粒增強了膠原蛋白。膠原纖維也可以通過羥基磷灰石和其他礦物質（如碳酸鈣、二氧化硅或氫氧化鐵）在體外滲透。骨骼的抗斷裂性通常歸因于礦化的膠原纖維。骨骼具有分層結構，其中礦化膠原纖維組裝成從亞微米到宏觀尺度的高級結構。這種組織有雙重優點：它提供了許多作為有效裂紋偏差的界面，從而增強了骨骼的韌性；并且它允許形成具有以不同基序組織的礦化膠原原纖維的組織，從而賦予不同的機械性能。骨骼的這種層次結構對于理解骨骼形成的機制以及其機械性能如何由其組成和其構件的排列產生至關重要。

二、【成果掠影】

近日，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室傅正義院士團隊Hang Ping、德國馬普所膠體與界面研究所Peter Fratzl團隊Wolfgang Wagermaier等聯合報道了一系列基于鍶和鈣礦物，并從中觀測它們的沉淀會導致膠原原纖維收縮，高達幾兆帕的應力，應力大小取決于礦物材料的類型和數量。通過in-operando同步輻射X射線散射，研究人員分析了礦物沉積動力學。當礦物質僅在原纖維外沉積時不發生收縮，而原纖維內礦化則會產生原纖維收縮。這種化學-機械效應發生在膠原蛋白完全浸入水中時，并產生拉伸纖維的礦物-膠原蛋白復合材料，這使人聯想到鋼筋混凝土的原理。該論文以題為“Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils”發表在知名期刊Science上。

三、【數據概覽】

圖一、SrCO₃礦化過程中肌腱中產生的應力

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圖二、不同pH值的SrCO₃溶液中肌腱產生的應力

圖三、SrCO₃肌腱礦化過程中，同步加速器SAXS(力恒定模式，零應力)

圖四、膠原組織中納米晶體的晶格應變

四、【成果啟示】

這項研究表明，沉淀和膠原收縮之間的化學機械耦合作用（之前在骨中觀察到的羥基磷灰石）發生在多種礦物質中。此外，研究還表明，膠原纖維的應力轉移到嵌入的礦物質中。因此，在20到40兆帕的范圍內，其晶格平行于原纖被強烈壓縮。這一現象不僅揭示了膠原蛋白的一個有趣特性，它還提供了一個激動人心的概念，通過內應力增強混雜材料的機械性能，類似于鋼纖維預應力混凝土。因此，使用本工作中展示的先進的原位表征方法，為人們對生物礦化的一般理解、以及這些知識在生物醫學、環境保護、材料設計和工程中的應用提供了解決這些問題的一個途徑。

文獻鏈接：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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