一、武漢【導(dǎo)讀】
生物礦化在自然界中無處不在，理工料材料牛并與我們的傅正生活息息相關(guān)。骨等生物混合材料將堅硬的義院無機(jī)納米級礦物和柔軟的有機(jī)基質(zhì)巧妙地結(jié)合成層次結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)特定的士S生復(fù)性能和功能。這種從納米到宏觀的骨仿復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使生物礦化材料的合材機(jī)械性能優(yōu)于人工材料。膠原蛋白是武漢人體細(xì)胞外組織的主要成分，從肌腱和骨骼到皮膚和動脈壁。理工料材料牛在骨骼中，傅正納米尺寸的義院碳酸羥基磷灰石顆粒增強(qiáng)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(zhì)（如碳酸鈣、士S生復(fù)二氧化硅或氫氧化鐵）在體外滲透。骨仿骨骼的合材抗斷裂性通常歸因于礦化的膠原纖維。骨骼具有分層結(jié)構(gòu)，武漢其中礦化膠原纖維組裝成從亞微米到宏觀尺度的高級結(jié)構(gòu)。這種組織有雙重優(yōu)點：它提供了許多作為有效裂紋偏差的界面，從而增強(qiáng)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(jī)械性能。骨骼的這種層次結(jié)構(gòu)對于理解骨骼形成的機(jī)制以及其機(jī)械性能如何由其組成和其構(gòu)件的排列產(chǎn)生至關(guān)重要。
二、【成果掠影】
近日，武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室傅正義院士團(tuán)隊Hang Ping、德國馬普所膠體與界面研究所Peter Fratzl團(tuán)隊Wolfgang Wagermaier等聯(lián)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(dǎo)致膠原原纖維收縮，高達(dá)幾兆帕的應(yīng)力，應(yīng)力大小取決于礦物材料的類型和數(shù)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(xué)。當(dāng)?shù)V物質(zhì)僅在原纖維外沉積時不發(fā)生收縮，而原纖維內(nèi)礦化則會產(chǎn)生原纖維收縮。這種化學(xué)-機(jī)械效應(yīng)發(fā)生在膠原蛋白完全浸入水中時，并產(chǎn)生拉伸纖維的礦物-膠原蛋白復(fù)合材料，這使人聯(lián)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(fā)表在知名期刊Science上。
三、【數(shù)據(jù)概覽】
圖一、SrCO3礦化過程中肌腱中產(chǎn)生的應(yīng)力
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圖二、不同pH值的SrCO3溶液中肌腱產(chǎn)生的應(yīng)力
圖三、SrCO3肌腱礦化過程中，同步加速器SAXS(力恒定模式，零應(yīng)力)
圖四、膠原組織中納米晶體的晶格應(yīng)變
四、【成果啟示】
這項研究表明，沉淀和膠原收縮之間的化學(xué)機(jī)械耦合作用（之前在骨中觀察到的羥基磷灰石）發(fā)生在多種礦物質(zhì)中。此外，研究還表明，膠原纖維的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到嵌入的礦物質(zhì)中。因此，在20到40兆帕的范圍內(nèi)，其晶格平行于原纖被強(qiáng)烈壓縮。這一現(xiàn)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(nèi)應(yīng)力增強(qiáng)混雜材料的機(jī)械性能，類似于鋼纖維預(yù)應(yīng)力混凝土。因此，使用本工作中展示的先進(jìn)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(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、材料設(shè)計和工程中的應(yīng)用提供了解決這些問題的一個途徑。
文獻(xiàn)鏈接：Mineralization generates megapascal contractile stresses in collagen fibrils (Science 2022, 376, 188-192)
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