近日，中國工程院院士、武漢理工大學教授傅正義團隊在材料過程仿生製備新技術研究方面獲進展，為揭示生物礦物內預應力的起源提供了直接證據，對揭示骨骼形成過程有生物學借鑑意義，對多功能複合材料的合成與製備也有重要指導意義。相關成果4月7日發表於《科學》。
自然生物物質的製造過程是數十億年進化和自然選擇的結果。此前，傅正義團隊提出了生物過程啟示的製備技術這一新的研究方向，也稱為材料過程仿生製備技術。
據介紹，天然骨骼形成是一個典型的生物製造過程。受骨骼結構形成過程的啟發，論文第一作者、武漢理工大學副研究員平航設計了膠原纖維內限域合成與原位研究實驗系統，以具有膠原纖維連續定向排列的肌腱組織為基礎，實現了碳酸鍶晶體在膠原纖維內部的合成。研究首次發現和證實合成產物形成兆帕級的收縮應力，製備出預應力複合微管。
研究人員採用原位拉曼分析、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，揭示了碳酸鍶晶體在膠原纖維限域空間內的結構形成動力學過程和預應力形成的機制。改變礦化溶液的化學組成和其他條件，可調控預應力的大小和預應力形成的速率。該研究還表明，不同無機材料在膠原內部的合成，均會產生兆帕級收縮應力。
在前期研究中，科研人員對膠原纖維內限域合成開展了系統性的工作。借鑑骨骼中誘導礦化蛋白的功能特性，他們設計了一種既能結合膠原又能結合磷灰石的多功能重組蛋白，其能在膠原纖維空缺區域裡調節羥基磷灰石的生長，使合成的羥基磷灰石沿膠原纖維呈現週期性排列。
研究首次實現氟化鈣奈米晶體在膠原纖維內的週期性有序合成與結晶，揭示其結構形成過程是前驅體先從空缺區域進入膠原、然後擴散進入重疊區域，而非傳統觀點認為的前驅體滲入膠原後直接沿纖維長軸擴散的過程。研究首次實現了膠原纖維內限域合成碳酸鍶壓電功能材料。（見習記者荊淮僑）
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https://doi.org/10.1126/science.abm2664
來源： 中國科學報
