科技日報記者 吳純新 通訊員 黃玲林
4月11日，記者從武漢理工大學(xué)獲悉，該校傅正義院士團(tuán)隊平航副研究員在材料過程仿生制備新技術(shù)研究方面取得創(chuàng)新性進(jìn)展，為揭示生物礦物內(nèi)預(yù)應(yīng)力的起源提供了直接證據(jù)，相關(guān)成果在《科學(xué)》上發(fā)表。
據(jù)介紹，自然生物物質(zhì)制造過程是數(shù)十億年進(jìn)化和自然選擇的結(jié)果，可以在室溫完成結(jié)構(gòu)形成過程，得到獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能（如貝殼、牙齒、骨頭等）。傅正義團(tuán)隊認(rèn)為，自然生物物質(zhì)精妙的生物制造過程值得學(xué)習(xí)，用于發(fā)展材料的制備新技術(shù)。
為此，該團(tuán)隊提出一個新的研究方向，受生物過程啟示的制備技術(shù)，也稱為材料過程仿生制備技術(shù)。其主要思想和方法是，從生物制造過程或者生物制造過程—生物結(jié)構(gòu)的關(guān)系中得到啟示和靈感，發(fā)展材料的合成與制備新技術(shù)。
天然骨骼形成作為典型生物制造過程。礦化膠原纖維是骨骼基本構(gòu)造單元，羥基磷灰石在膠原纖維內(nèi)部取向合成，形成特殊結(jié)構(gòu)使得骨骼具有優(yōu)異的力學(xué)與功能特性。
受骨骼結(jié)構(gòu)形成過程啟發(fā)，平航設(shè)計了膠原纖維內(nèi)限域合成與原位研究實驗系統(tǒng)。以具有膠原纖維連續(xù)定向排列的肌腱組織為基礎(chǔ)，實現(xiàn)碳酸鍶晶體在膠原纖維內(nèi)部的合成。首次發(fā)現(xiàn)和證實合成產(chǎn)物形成兆帕級的收縮應(yīng)力，制備出預(yù)應(yīng)力復(fù)合微管。
采用原位拉曼分析、同步輻射小角X射線散射原位分析、同步輻射廣角X射線散射分析等方法，揭示碳酸鍶晶體在膠原纖維限域空間內(nèi)結(jié)構(gòu)形成動力學(xué)過程和預(yù)應(yīng)力形成的機(jī)制。改變礦化溶液的化學(xué)組成和其他條件，可調(diào)控預(yù)應(yīng)力的大小和預(yù)應(yīng)力形成的速率。該研究還表明，不同無機(jī)材料在膠原內(nèi)部合成，均會產(chǎn)生兆帕級收縮應(yīng)力。
借鑒骨骼中誘導(dǎo)礦化蛋白的功能特性，平航設(shè)計了一種既能結(jié)合膠原又能結(jié)合磷灰石的多功能重組蛋白，它能在膠原纖維空缺區(qū)域里調(diào)節(jié)羥基磷灰石的生長，使合成的羥基磷灰石沿膠原纖維呈現(xiàn)周期性排列。
研究首次實現(xiàn)氟化鈣納米晶體在膠原纖維內(nèi)的周期性有序合成與結(jié)晶，揭示其結(jié)構(gòu)形成過程是前驅(qū)體先從空缺區(qū)域進(jìn)入膠原、然后擴(kuò)散進(jìn)入重疊區(qū)域，而非傳統(tǒng)觀點認(rèn)為的前驅(qū)體滲入膠原后直接沿纖維長軸擴(kuò)散的過程。并且首次實現(xiàn)了膠原纖維內(nèi)限域合成碳酸鍶壓電功能材料。
據(jù)悉，這些研究對揭示骨骼形成過程有生物學(xué)借鑒意義，對多功能復(fù)合材料的合成與制備也有重要指導(dǎo)意義。武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)實驗室為第一通訊單位，德國馬普膠體界面研究所為合作單位；平航為第一作者，傅正義院士、Wolfgang Wagermaier博士、Peter Fratzl教授為共同通訊作者。
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