4月11日，記者從武漢理工大學獲悉，該校傅正義院士團隊平航副研究員在材料過程仿生製備新技術研究方面取得創新性進展，為揭示生物礦物內預應力的起源提供了直接證據，相關成果在《科學》上發表。
據介紹，自然生物物質製造過程是數十億年進化和自然選擇的結果，可以在室溫完成結構形成過程，得到獨特的微結構和優異性能（如貝殼、牙齒、骨頭等）。傅正義團隊認為，自然生物物質精妙的生物製造過程值得學習，用於發展材料的製備新技術。
為此，該團隊提出一個新的研究方向，受生物過程啟示的製備技術，也稱為材料過程仿生製備技術。其主要思想和方法是，從生物製造過程或者生物製造過程—生物結構的關係中得到啟示和靈感，發展材料的合成與製備新技術。
天然骨骼形成作為典型生物製造過程。礦化膠原纖維是骨骼基本構造單元，羥基磷灰石在膠原纖維內部取向合成，形成特殊結構使得骨骼具有優異的力學與功能特性。
受骨骼結構形成過程啟發，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，實現碳酸鍶晶體在膠原纖維內部的合成。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。
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，揭示碳酸鍶晶體在膠原纖維限域空間內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合成，均會產生兆帕級收縮應力。
借鑑骨骼中誘導礦化蛋白的功能特性，平航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，它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周期性排列。
研究首次實現氟化鈣納米晶體在膠原纖維內的周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。並且首次實現了膠原纖維內限域合成碳酸鍶壓電功能材料。
據悉，這些研究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。武漢理工大學材料複合新技術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。
（來源：科技日報 記者吳純新 通訊員 黃玲林）
【編輯：侯方隅】
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