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生物材料

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重建并渲染STEM断层图
FIB铣削的成熟人类层状骨标本的不同投影中的重建和渲染STEM断层图。图片来源:N。Reznikov等, 科学 (2018)

骨头无疑是一种令人印象深刻的天然材料,因为它既坚固(承受载荷而不会变形很大)又坚韧(承受载荷和变形而不会破裂)。刚度和韧性很少在材料中同时发现。骨骼的强度来自两个主要组成部分:矿物质磷酸钙(磷灰石)和蛋白质胶原蛋白。

事实证明,骨骼胶原蛋白和矿物质的组织方式很难理解,因为它们的组装方式是 在每个长度尺度上都是复杂的。由研究人员领导的扫描透射电子显微镜层析成像实验 罗兰·克罗格(RolandKröger) 约克大学和 莫莉·史蒂文斯(Molly Stevens) 英国伦敦帝国理工学院的研究人员现在揭示了,其中的骨骼矿物质是从纳米级向上分层组织的。它由弯曲的针状微晶组成,这些微晶融合成扭曲的板,形成更大的聚集体,从而在相邻的胶原纤维之间形成桥梁。

这些发现对于包括骨科学和考古学在内的许多领域可能都是重要的。他们还将提供有关骨骼疾病,生长和发育的宝贵见解,甚至可能有助于设计新型仿生材料。

在3D模式下评估骨骼的矿物质相

Kröger和Stevens着手评估3D骨骼的矿物质相。他们用电子断层扫描–这意味着以许多连续的角度或“倾斜”收集图像–重建其样本的3D图像。

例如,他们的观察之一是微晶在其整个长度上略微弯曲。另一个是在倾斜方向周围不规则空隙周围的平行扭曲微晶堆叠。最终,他们看到六角形晶体在垂直投影中紧密堆积成玫瑰形。 Kröger和Stevens解释说:“我们开发了一个模型,将所有这些观察结果汇总在一起,显示出晶体是弯曲的,分层的和呈张开状的,从而形成连续的交叉原纤维网络。”

分形螺旋图案

他们补充说:“骨骼中的扭曲晶体与扭曲的胶原蛋白链结合在一起,形成了自身扭曲的原纤维”。 “从较早的研究中知道,原纤维扭曲成同心层,围绕着骨骼中的细毛细血管缓慢地扭曲自身,继而绕着骨骼的长轴扭曲,而长轴通常弯曲成螺旋状(如肋骨或锁骨) 。”

研究人员说,螺旋扭曲是自相似的或分形的。分形状的螺旋图案在自然界无处不在(例如蕨类或花椰菜)。该研究的主要作者说:“这种类型的组织可能已经发展了数百万年,以优化骨骼的结构和功能。” 娜塔莉·雷兹尼科夫(Natalie Reznikov) 告诉 nanotechweb.org.

勇茂 英国诺丁汉大学的一位教授对此表示赞同:“这无疑是一项有趣的研究,有助于人们对骨骼结构的理解。” “我认为研究人员越来越意识到世界的分形/等级性质,这通常具有进化优势。随着增材制造(或3D打印)的发展,这些更精细的结构变得越来越容易获得。我希望这将是未来令人兴奋的发展领域。

该研究在 科学 10.1126 / science.aao2189.

有关分层纳米结构的更多信息,请访问 纳米技术 重点收集.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者