新研究为生物矿物内预应力的起源提供直接证据

近日，中国工程院院士、武汉理工大学教授傅正义团队在材料过程仿生制备新技术研究方面获进展，为揭示生物矿物内预应力的起源提供了直接证据，对揭示骨骼形成过程有生物学借鉴意义，对多功能复合材料的合成与制备也有重要指导意义。相关成果4月7日发表在《科学》杂志上。

自然生物物质的制造过程是数十亿年进化和自然选择的结果。如贝壳、牙齿、骨头等，可以在室温完成结构形成过程，得到独特的微结构和优异的性能。此前，傅正义团队提出自然生物物质精妙的生物制造过程值得学习，以发展材料的制备新技术。为此，提出了生物过程启示的制备技术这一新的研究方向，也称为材料过程仿生制备技术。其主要思想和方法是“从生物制造过程、或者生物制造过程—生物结构的关系中得到启示和灵感，发展材料的合成与制备新技术”。

据介绍，天然骨骼形成是一个典型的生物制造过程。矿化胶原纤维是骨骼的基本构造单元，羟基磷灰石在胶原纤维内部取向合成，形成特殊结构使得骨骼具有优异的力学与功能特性。

受骨骼结构形成过程的启发，武汉理工大学副研究员平航设计了胶原纤维内限域合成与原位研究实验系统。以具有胶原纤维连续定向排列的肌腱组织为基础，实现了碳酸锶晶体在胶原纤维内部的合成。首次发现和证实合成产物形成兆帕级的收缩应力，制备出预应力复合微管。

研究人员采用原位拉曼分析、同步辐射小角X射线散射原位分析、同步辐射广角X射线散射分析等方法，揭示了碳酸锶晶体在胶原纤维限域空间内的结构形成动力学过程和预应力形成的机制。改变矿化溶液的化学组成和其他条件，可调控预应力的大小和预应力形成的速率。该研究还表明，不同无机材料在胶原内部的合成，均会产生兆帕级收缩应力。

在前期研究中，科研人员对胶原纤维内限域合成开展了系统性的工作。借鉴骨骼中诱导矿化蛋白的功能特性，设计了一种既能结合胶原又能结合磷灰石的多功能重组蛋白，能在胶原纤维空缺区域里调节羟基磷灰石的生长，使合成的羟基磷灰石沿胶原纤维呈现周期性排列。

研究首次实现氟化钙纳米晶体在胶原纤维内的周期性有序合成与结晶，揭示其结构形成过程是前驱体先从空缺区域进入胶原、然后扩散进入重叠区域，而非传统观点认为的前驱体渗入胶原后直接沿纤维长轴扩散的过程。首次实现了胶原纤维内限域合成碳酸锶压电功能材料。

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室为第一通讯单位，德国马普胶体界面研究所为合作单位，武汉理工大学副研究员平航为第一作者，傅正义、Wolfgang Wagermaier、Peter Fratzl为共同通讯作者。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abm2664