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生物材料為類似的下一代高性能材料的設計提供了獨特的靈感來源。特別是，耐損傷生物結(jié)構(gòu)由分層排列成多相復合材料的硬和軟成分組成，其特征尺寸從納米到宏觀長度尺度不等。這些復雜的多尺度結(jié)構(gòu)賦予天然生物復合材料強度、剛度和韌性的組合，這對其生理功能至關重要。螳螂蝦就是一個例子，它的一對錘狀棍棒在近距離狩獵或戰(zhàn)斗中提供重復的高能量打擊（圖 1）。球桿的物理化學和微觀力學是賦予球桿損傷容限的關鍵微觀結(jié)構(gòu)因素。球桿是一種多相復合材料，將堅硬、堅硬且抗沖擊的外部區(qū)域與較軟的內(nèi)部區(qū)域相結(jié)合，提供額外的沖擊能量消散。內(nèi)部區(qū)域是一個 3 組分結(jié)構(gòu)，包括：i) 纖維狀幾丁質(zhì)組織成高度膨脹的螺旋狀圖案，ii) 富含蛋白質(zhì)的基質(zhì)，介導球桿的礦化，以及 iii) 無定形磷酸鈣和碳酸鈣(圖 1 )。在外部影響區(qū)域，這三個主要成分也存在，但相對含量、組織和多態(tài)形式不同。
圖1. 生物學啟發(fā)的多相納米復合材料，具有分級結(jié)構(gòu)，模仿螳螂蝦指尖俱樂部的關鍵分子和結(jié)構(gòu)特征。
芬蘭技術(shù)研究中心有限公司報告了一類新的受生物啟發(fā)的多相納米復合材料，其分級結(jié)構(gòu)是模仿螳螂蝦指尖的關鍵特征（圖 1），螳螂蝦激發(fā)的仿生分級材料，纖維素納米晶體基。作者成功制造了一種由類似構(gòu)件組成的生物復合材料——即纖維素作為幾丁質(zhì)的替代品、具有纖維素結(jié)合模塊 (CBM) 和調(diào)節(jié)生物礦化的 CMP-1 酸性域的人工蛋白質(zhì)，以及堅固且耐損傷的磷灰石。 此外，作者將這種復合材料加工成復雜的形狀，將其制造成具有周期性微強化方向圖案的牙種植冠，以及類似于人類牙齒的雙層結(jié)構(gòu)（圖 1）。該復合材料由具有長程螺旋組織的纖維素納米晶體 (CNC) 與兩種類型的基因工程蛋白質(zhì)基質(zhì)混合組成，這些蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)與 CNCs 的結(jié)合和增強磷灰石晶體的原位生長。一種含有 CBM 的蛋白質(zhì)被合理設計為通過非共價相互作用增加其與手性向列型 CNC 網(wǎng)絡的界面強度，并在空間上位于牙冠的內(nèi)部區(qū)域。第二種蛋白質(zhì)是用富含酸性的 CMP-1 設計的，目的是通過介導磷灰石晶體的成核和生長來硬化、加強和硬化定向 CNC 的表面。結(jié)果證明通過合理工程和蛋白質(zhì)組分相分離可調(diào)節(jié)多個長度尺度的受控自組裝。
相關論文以題為Bioinspired Functionally Graded Composite Assembled Using Cellulose Nanocrystals and Genetically Engineered Proteins with Controlled Biomineralization發(fā)表在《Advanced Materials》上。通訊作者是芬蘭技術(shù)研究中心有限公司Pezhman Mohammadi教授。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adma.202102658
封面圖源自于圖蟲創(chuàng)意
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