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生物材料為類似的下一代高性能材料的設計提供了獨特的靈感來源。特別是，耐損傷生物結構由分層排列成多相復合材料的硬和軟成分組成，其特征尺寸從納米到宏觀長度尺度不等。這些復雜的多尺度結構賦予天然生物復合材料強度、剛度和韌性的組合，這對其生理功能至關重要。螳螂蝦就是一個例子，它的一對錘狀棍棒在近距離狩獵或戰斗中提供重復的高能量打擊（圖 1）。球桿的物理化學和微觀力學是賦予球桿損傷容限的關鍵微觀結構因素。球桿是一種多相復合材料，將堅硬、堅硬且抗沖擊的外部區域與較軟的內部區域相結合，提供額外的沖擊能量消散。內部區域是一個 3 組分結構，包括：i) 纖維狀幾丁質組織成高度膨脹的螺旋狀圖案，ii) 富含蛋白質的基質，介導球桿的礦化，以及 iii) 無定形磷酸鈣和碳酸鈣(圖 1 )。在外部影響區域，這三個主要成分也存在，但相對含量、組織和多態形式不同。
圖1. 生物學啟發的多相納米復合材料，具有分級結構，模仿螳螂蝦指尖俱樂部的關鍵分子和結構特征。
芬蘭技術研究中心有限公司報告了一類新的受生物啟發的多相納米復合材料，其分級結構是模仿螳螂蝦指尖的關鍵特征（圖 1），螳螂蝦激發的仿生分級材料，纖維素納米晶體基。作者成功制造了一種由類似構件組成的生物復合材料——即纖維素作為幾丁質的替代品、具有纖維素結合模塊 (CBM) 和調節生物礦化的 CMP-1 酸性域的人工蛋白質，以及堅固且耐損傷的磷灰石。 此外，作者將這種復合材料加工成復雜的形狀，將其制造成具有周期性微強化方向圖案的牙種植冠，以及類似于人類牙齒的雙層結構（圖 1）。該復合材料由具有長程螺旋組織的纖維素納米晶體 (CNC) 與兩種類型的基因工程蛋白質基質混合組成，這些蛋白質調節與 CNCs 的結合和增強磷灰石晶體的原位生長。一種含有 CBM 的蛋白質被合理設計為通過非共價相互作用增加其與手性向列型 CNC 網絡的界面強度，并在空間上位于牙冠的內部區域。第二種蛋白質是用富含酸性的 CMP-1 設計的，目的是通過介導磷灰石晶體的成核和生長來硬化、加強和硬化定向 CNC 的表面。結果證明通過合理工程和蛋白質組分相分離可調節多個長度尺度的受控自組裝。
相關論文以題為Bioinspired Functionally Graded Composite Assembled Using Cellulose Nanocrystals and Genetically Engineered Proteins with Controlled Biomineralization發表在《Advanced Materials》上。通訊作者是芬蘭技術研究中心有限公司Pezhman Mohammadi教授。
參考文獻：
doi.org/10.1002/adma.202102658
封面圖源自于圖蟲創意
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