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实验室“长出”珍珠母

发布时间:2019-09-13 20:42:03 编辑:笔名

近日出版的《科学》杂志发布了一项重要成果:中国科学技术大学俞书宏教授课题组在人工合成珍珠母方面取得突破性进展,首次通过模拟天然珍珠母生长过程制备了人工仿生结构材料,具有与天然珍珠母高度相似的化学成分、微观结构等特征,并兼具很好的强度及韧性。

贝壳内层的珍珠母具有独特而复杂的微观层状结构,这种结构使珍珠母在宏观上同时具备超常的硬度和韧性,这二者在许多人工合成材料中无法兼得。为在人工体系里实现类似珍珠母的优异力学性能,仿珍珠母材料的制备一直是材料科学领域的研究热点之一。为了还原珍珠母的复杂结构,目前科学家们已发展了一些制备二维仿珍珠母薄膜材料的方法。但对于三维体相仿珍珠母材料,已有的合成方法通常设备复杂且须通过超高温烧结成型,制备材料的多级结构控制不够深入,并将很多不耐高温的材料排除在外。

反观自然界中珍珠母的形成过程,贝类首先在外套膜和贝壳内壁的生长面之间的腔体内,用特定有机材料构筑层状框架结构,层间填满富含蛋白质的胶状物质,然后在层间不断富集碳酸钙并使其矿化,最终形成坚硬而不失韧性、成分简单却流光溢彩的珍珠母层。

俞书宏团队在实验室里巧妙地模拟了这个过程。他们首先通过取向冻结和乙酰化转化的方法,用与天然贝壳中完全相同的有机材质搭建出类似的层状“框架”,并置入人工“腔体”中。不同于自然界中贝类花费数年时间不断分泌该有机物质并使碳酸钙其在框架上矿化,俞书宏团队设计了一个“循环系统”,即通过一台作用类似于人体的心脏的蠕动泵,不断向腔体内的框架里泵入饱和碳酸氢钙溶液,同时带出反应后的残余废料,在两周内就能“复制”珍珠母长达数年的自然形成过程,速度超其百倍。

电子显微镜等多种检测手段表明,这种通过与自然策略高度近似的材料生长方法制备的人工材料,在成分和微观结构上均与天然珍珠母高度近似,在多个尺度上再现了天然珍珠母的微观等级结构和力学特性,而宏观上也同时展现出很好的强度和韧性。

虽然,目前人工合成的珍珠母还无法拥有天然珍珠的“晕彩”,再加上制造成本因素,这种合成方法暂时还不便用于生产装饰用的珍珠。但这种方法用于骨缺损修复领域则可能成为众多骨骼受损患者的福音。

人类的骨骼和牙齿发育过程与珍珠母形成过程异曲同工,差别在于矿化的主要成分是羟基磷酸钙而非碳酸钙。运用类似的策略合成人工骨骼或牙齿,有望高度重现人体骨骼的强度和韧性,并因成分高度近似,可有效避免材料植入人体的排异反应,也免去了以前金属构件放入人体还要取出的痛苦。

“这种人工骨骼、牙齿具有广泛的应用前景,也是我们课题组目前正在致力研究的课题之一。”俞书宏说。不仅如此,这种温和而便利的方法还可推广到其他材料体系,用于制备多种具有仿生结构和特殊功能的复合材料。

《科学》杂志审稿人评价称“这是一种开创性的可靠方法”“作者报道了一种制备大体积人工珍珠母的新方法”“这篇论文将对具有等级有序结构的高性能复合材料的设计原理有贡献,对今后的工作具有启发性”。《科学》杂志观点栏目同期配发了长篇评述,称“该矿化方法是一项突破性进展,因为它成功地将能制造出的具有可控层间距的大体积三维多层壳聚糖模板与能够完全实现其矿化而获得非常高的矿物质含量的两个过程集成于一体”,“该方法也可能应用于制造大体积类珍珠母结构的骨移植体,而复制天然骨骼的力学和在体内的反应特性是骨科学领域的迫切挑战”。

另一国际权威学术期刊《自然》杂志也在近期的科研亮点中,特别推介了这种仿生合成方法。该项研究开创了材料仿生合成的一个新路径,也为类似结构材料的合成提供了新思路。

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