世界快消息！Science：俞書宏院士團隊發現河蚌鉸鏈耐疲勞秘密，為新型柔性耐疲勞材料設計提供新思路

2023-06-26 16:09:00 來源: 生物世界

中國科學技術大學俞書宏院士團隊聯合吳恒安教授團隊在Science上發表了題為：Deformable hard tissue with high fatigue resistance in the hinge of bivalve Cristaria plicata的研究論文。

該研究成功揭示了雙殼綱褶紋冠蚌鉸鏈內的可變形生物礦物硬組織的耐疲勞機制，提出了一種多尺度結構設計與成分固有特性相結合的耐疲勞新策略，為未來耐疲勞結構材料的合理設計和制備提供了新的見解。

(相關資料圖)

為什么要研究普普通通的河蚌呢？

“我們要向自然學習”，俞書宏院士表示，“通過解析自然材料，特別是生命體所創造的具有復雜結構的生物材料，搞清楚包括它的組成、結構與功能之間的關系，用于指導我們在仿生領域開展更多的探索研究”。正是因為俞書宏院士提出的獨特研究思路和視角，他獲得了新基石科學基金會的資助，入選首批新基石研究員。

俞書宏院士及其團隊早在2016年，就模仿雙殼綱軟體動物合成天然珍珠母的“砌墻式”策略，提出一種新的“組裝與礦化”聯用的介觀組裝合成方法，從源頭模仿天然貝殼珍珠層的形成過程和化學組分，在國際上首次成功礦化合成了人工珍珠母材料，相比于天然珍珠母長達數月的形成周期，人工珍珠母合成只需要兩周左右的時間，相關研究成果發表在Science期刊。俞書宏院士表示，通過對生物材料微觀結構的細致觀察和深入研究，可以發現多級有序結構對材料宏觀性能的提升能起到至關重要的作用。

“有所發現”、“有所發明”、“有所創造”，俞書宏院士用這三個詞總結了團隊的期待和目標，“這是我們仿生材料研究團隊的科研理念。首先是有所發現，要學會發現自然界神奇的生物材料的特殊性質，通過解析天然材料結構與功能的關系，能夠幫助我們明晰新材料的創制與設計理念，接著要有所發明，將提取的設計原理用于仿生材料的制備合成，最后有所創造，通過將從自然材料結構解析中獲得的材料結構設計理念交叉融合，力求創制出全新的人工材料，并將研究成果應用到實際材料的創制中，以提升材料性能”。

此外，在仿生材料研究領域，除了需要懂得化學材料相關知識，也需要對生物學、力學、數學方面的知識有所掌握。這也是研究的難點之一，要求研究人員具有很強的學科交叉能力。俞書宏院士說，“天然材料，特別是生物材料，它的結構非常復雜。在研究的時候需要我們具有跨學科的知識儲備?！?/p>

“人工材料難在制備，自然材料難在解析”，茅瓅波副研究員說，“從自然界獲得的天然生物材料，它們不僅組成未知，而且其結構設計是從宏觀尺度直達分子尺度。想要把如此復雜的材料結構以及性能之間的聯系說清楚，十分具有挑戰性?！?/p>

這項研究持續了十余年，從2013年就已經在俞書宏院士的指導下開始進行。2015年茅瓅波副研究員從他的師兄劉蕾那里接過這項工作，繼續開展河蚌鉸鏈的解析，但一直認為沒有達到俞書宏院士期望的完成度。2017年，茅瓅波博士畢業后，和同年入學的師弟孟祥森開始合作繼續推進這一研究工作，沒想到一做又是六年。在長達近十年的研究工作中，是俞書宏院士對基礎科學長期研究的堅守和信心，為工作的開展提供了最好的條件和保障，這也與他一貫提倡的“甘于坐冷板凳”和“勇于做從0到1的科研”的科研理念高度一致，正是俞書宏院士對科研方向的遠見、傳承和堅持，最終才能夠取得又一突破性的成果。

在研究過程中，團隊也遇到了非常多的困難。

十年前測試儀器很難實現對于材料精細結構表征的要求，直到近些年國家和學校在這方面的投入加大，給了研究團隊更好的平臺條件去達到想要實現的目標。在研究鉸鏈微觀結構過程中，需要分析材料各個微區的晶體學取向，這需要用X射線單晶衍射儀連續做幾百次測試。為此，生命科學實驗中心負責單晶衍射儀的朱中良老師不僅陪著團隊成員熬夜測試，還主持搭建了一個自動測試平臺，極大減輕了實驗負擔。

其次，河蚌鉸鏈的解析需要用到非常規的表征方式，這些都需要研究團隊自己去設計和搭建裝置。在這方面，有著豐富設計經驗的工程學院博士后鄭東昌提供了極大幫助。盡管團隊經歷了很多次的失敗，但俞書宏院士一直都很支持這些原創性的探索，正是經過一次次失敗的經驗積累，最終才能取得完美的實驗結果，并得到了審稿人的高度評價，稱：“這份手稿展示了一個非常有趣的工作”（The manuscript presents a piece of very interesting work）、“這是一份令人興奮的稿件。它集成了諸多表征技術來理解雙殼綱鉸鏈組織的顯著疲勞抗性”（This was an exciting manuscript. It integrates a lot of different techniques to understand the remarkable fatigue-resistant properties of bivalve hinge tissue）、“這無疑激發了對生物復合材料的進一步研究，以設計抗疲勞性能增強的新材料”。(The work certainly motivates further investigation using bio-inspired composites for designing new materials with enhanced fatigue resistance)。

Science期刊還在同期發表了題為：A bendable biological ceramic的評述文章，評述稱“通過整合不同尺度的原理——從鉸鏈的整體結構到單個晶體的原子結構——孟等人揭示了大自然如何主要從脆性成分中創造出抗疲勞、可彎曲、有彈性的結構。這些跨尺度原理要求在最精細的尺度上精確，而軟體動物如此精確地沉積殼的細胞和分子機制是一個正在探索的領域”；“匹配生物精細控制對于對生物啟發材料感興趣的人類工程師來說是一個特別的挑戰，正如開發模仿珍珠質強度和韌性的復合材料所面臨的困難所證明的那樣”；“盡管孟等人研究的力學性能與這種特殊生物體的需求相匹配，這些原理如何在更廣泛的系統范圍內得到完善，這是令人興奮的前景?！?/p>

如何闡明這種材料的構效關系也是一個難點。面對豐富的實驗結果，研究團隊仍然想要更為系統地闡明河蚌鉸鏈組織優異耐疲勞性能和可變形能力背后的深層次原因。與俞書宏院士團隊有過長期合作經驗的工程科學學院吳恒安教授帶領團隊朱銀波副教授、周立川博士等通過定量化建模和多尺度力學分析最終解決了這個難題，使得團隊成功揭示了河蚌鉸鏈組織從宏觀到微觀精細結構的力學行為。雙方團隊緊密合作，最終給出了貝殼鉸鏈組織的多尺度結構與耐疲勞性能之間的清晰而令人信服的物理圖像描述。

隨著近年來小型智能化的可穿戴電子設備的發展，產品柔性化已成趨勢，可以說 “柔性”性能是未來產品開發的重要方向之一，像折疊屏、折疊手機已經逐漸融入我們的日常生活。但是，要想真正實現可靠的“柔性”性能，目前還存在亟需解決的問題。

這種從河蚌鉸鏈可變形生物礦物中提取的耐疲勞結構設計策略對于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形變的柔性功能材料的創制具有普遍的指導意義。

俞書宏院士表示，我們有信心創制一系列的仿生新材料，把傳統材料的性能提升至更高水平。仿生材料未來發展前景非常廣闊，通過全新的設計理念，能創制出新的具有更優越性能的新材料，在航空航天、特種環境、防護等領域發揮出獨特的功能和應用價值，這也是團隊未來努力要做的重要方向。

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