牙齒自己修復?「滾滾」們還有這技能?

2021-01-19 中科院之聲


大熊貓最喜歡吃什麼？竹子。是的，熊貓99%的食物就是竹子。不過，竹子很堅硬，那大熊貓們的牙……還好麼？


別擔心，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室劉增乾博士研究團隊最新的一項研究發現，大熊貓的牙齒，是可以自動修復的！


牙齒自修復，牙釉質組織的排列組合很重要


大熊貓是動物界中牙尖齒利的典型代表。對於大熊貓來說，牙齒不僅是咀嚼食物的工具，也是天生的進攻防衛武器。


大熊貓的牙齒是怎麼實現自修復過程呢？


在微觀尺度上，大熊貓的牙釉質具有密度非常高且富含有機質的界面，同時，牙釉質的組織結構設計非常巧妙。組成牙釉質的無機礦物單元在微納米尺度均沿咬合方向規則排列，而礦物之間的界面以天然有機質填充，如圖1所示。


圖1 大熊貓牙釉質微納米尺度組織結構及其自修復效應與微觀機制


當牙釉質在微納米尺度發生損傷時，它的微觀外形和組織結構會在這些界面有機質的作用下逐漸恢復到損傷前的狀態，從而幫助牙釉質發生自動修復。


在這個過程中，一種神奇的物質——水分子，能夠對自修復效應起到顯著的促進作用。這是因為，牙釉質界面中的天然有機質在水合條件下會發生溶脹、高分子鏈柔性提高、玻璃化轉變溫度降低等轉變，從而促進了牙釉質的修復。


也就是說，水分子的作用是讓牙釉質界面中的天然有機質變得更加活躍，從而起到更好的加速自修復的作用。


仿生設計新思路：設計並控制微觀組織結構的方向


根據大熊貓牙釉質自修復的原理，科研人員提煉出了仿生設計的新思路，就是通過設計並控制微觀組織結構的方向，來實現材料的剛度、強度和韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。


同時，科研人員首次發現，材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。

 

圖2 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升（自然界中的木材、骨骼、魚鱗等天然材料在受力時，它們的微觀組織結構方向會發生調整，受此啟發，科研人員提煉出了通過微觀組織結構再取向實現抗拉又抗壓的材料設計原則）


通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關係，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。


因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關係。


未來仿生材料發展


針對自然界長期「軍備競賽」形成的主要用作武器的天然生物材料，科研人員闡明了其主要的種類、形式與組織結構特徵，從材料科學與力學角度揭示了其同步實現進攻與防護效果的性能優化機理。


科研人員還還提煉了共性的仿生材料設計原則，包括從宏觀外形與尺寸到微納米組織結構的多尺度設計、與局部應力狀態相匹配的空間梯度設計、自適應與自修復功能設計，以及配套與支撐系統設計等。


目前，該研究組正致力於利用上述原則設計研發新型的仿生材料，並且在人牙匹配型仿生複合義齒材料、高強高導電接觸材料等方面取得了新進展，有望顯著提升材料的性能和使用效果，更好地滿足實際應用需求。


來源：中國科學院金屬研究所


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