微观到宏观多层次连续有序仿生结构的人工生物矿物

微观到宏观多层次连续有序人工生物矿物

自然界里的各种动物,在进化过程中自发形成了各种具备复杂有序结构的生物硬组织,其中以贝壳,牙,骨为典型代表。这些天然硬组织与其对应的单一成分矿物晶体对比,具备了优异的力学及生物学性能。生物体构建硬组织的方式在先进材料,特别是仿生材料研究中给人们提供了极好的样本。此外,相应的研究中所得到的信息也会对人们认识生物硬组织的形成机理有着重要的帮助。在成分上,这些生物硬组织都是有机-无机复合材料(有机相以壳聚糖,胶原为代表;无机相以羟基磷灰石,二氧化硅,碳酸钙为代表);在结构上,它们不但在微观尺度上保持着高度的有序性,而且这种多层次的有序性同时贯穿了生物硬组织整体的宏观结构。虽然人们已经可以利用各种蛋白,氨基酸,有机分子在纳米,微米尺度下构建出具备简单有序结构的材料微粒单元,但如何利用这些单元,在宏观尺度上构建具备多层次,高度有序的连续整体,仍然是非常困难的事情。

中国科学上海硅酸盐研究所生物材料与组织工程研究中心常江研究员课题组,在国家自然科学基金委和科技部的大力支持下,基于正磷酸钙盐物相的溶解结晶特性,通过硬模板调控,探索了由纳米,微米,到宏观尺度多级有序仿生矿物的构建方法,并且构建出了从微观到宏观尺度,具备多层次连续有序结构的羟基磷灰石-明胶仿生矿物。这种人工生物矿物在垂直于其晶粒c轴方向上的硬度达到了0.90 + 0.10 GPa,杨氏模量为25.91 + 1.78 GPa,其力学性能与人体皮质骨(典型样本硬度 0.69 + 0.05 GPa,杨氏模量24.3 + 1.40 GPa)接近。这种材料所具备的优秀力学性能与其多层次连续有序仿生结构密切关联。同时,区别于目前流行的自下而上自组装的仿生材料制备思路,这项研究利用硬模板自身宏观有序的特性,完成了材料自上而下的多层次有序结构的构建,为仿生材料研究中如何解决构建微观尺度局部有序性与宏观尺度整体有序性相的问题提供了一条途径。