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Small Structures：清华王秀梅团队人工合成出高度仿生的高强高韧板层骨

来源：清华大学      2023-02-02
导读：近日，清华大学材料学院王秀梅团队提出一种“多尺度级联调控”策略，即将纳米尺度的分子自组装，微纳尺度的静电纺丝和宏观尺度下的压力融合技术相结合，逐级调控胶原分子和纳米羟基磷灰石晶体的组装过程，在常温下获得化学成分、分级组装结构、力学性能均高度仿生的厘米尺度大块人造板层骨（Artificial Lamellar Bone, ALB）。
天然矿化材料，如骨、贝壳等，具有从纳米尺度到宏观尺度有机/无机多级组装的精细结构，该结构赋予了天然矿化材料优异的综合力学性能，即兼具高的强度和高的韧性。而高强度和高韧性往往是人工合成材料所难以兼具的。因此，仿生天然材料化学成分及其多级组装结构以期获得能媲美天然材料优异力学性能的仿生结构材料一直备受关注。骨作为一种典型的天然矿化材料，由胶原分子和纳米羟基磷灰石从纳米尺度到宏观尺度的多级组装而成，其复杂的有序层级结构赋予了天然骨材料优异的强度和韧性。尽管国际上多个团队实现了微纳尺度上胶原和纳米羟基磷灰石的原位组装，但是目前尚未见报道在更高层级上仿生天然密致骨，并获得宏观尺度下高强高韧的仿生骨材料。而仿生制备高强高韧密致骨不仅能够启发新一代结构材料的开发，而且对于承力部位骨再生修复具有重要的临床意义。
清华大学材料学院王秀梅团队提出一种“多尺度级联调控”策略（图1），即将纳米尺度的分子自组装，微纳尺度的静电纺丝和宏观尺度下的压力融合技术相结合，逐级调控胶原分子和纳米羟基磷灰石晶体的组装过程，在常温下获得化学成分、分级组装结构、力学性能均高度仿生的厘米尺度大块人造板层骨（Artificial Lamellar Bone, ALB）。
ALB具有与天然板层骨高度一致的成分和分级结构，仅由胶原和羟基磷灰石组成，不含任何人工合成聚合物（图2）。体外仿生矿化制备的直径8纳米左右的矿化胶原微纤维（Mineralized Collagen Microfibril）实现了纳米羟基磷灰石在胶原模板的有序组装和取向排列；在静电纺丝作用下获得了直径100-200纳米的矿化胶原纤维（Mineralized Collagen fibril）及其取向排列的纤维层；最终通过压力驱动融合过程形成具有旋转胶合板结构的ALB。
ALB复制了多尺度的矿化胶原的组装结构，从而克服了强度和韧性的冲突，实现了超轻和高刚度、强度和韧性的完美结合（图3），是目前已知由胶原和羟基磷灰石组成的骨材料中强度和韧性最佳的仿生材料。ALB材料密度为1.485 g/cm3，纳米硬度为403.0±11.0 MPa，弯曲强度和弯曲模量可达118.4±5.6 MPa和95.6±7.2 GPa，断裂韧性可达9.3 MPam1/2，是目前已知可降解人工骨中综合力学性能最高的，可以和天然板层骨相媲美。


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图1.人工板层骨（ALB）“多尺度级联调控”合成策略示意图。（A）胶原模版的磷酸钙矿化过程。（B）矿化胶原纤维结构。（C）在胶原/HFIP溶液中加入MC microfibril制备静电纺丝溶胶。（D）高速滚筒收集MC fibril膜结构。（E）取向性MC fibril膜堆叠。（F）室温下压力驱动形成ALB块体。
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图2.ALB在多尺度层面的层次组织和形态。（A）天然骨和合成ALB从纳米尺度到宏观尺度的分层组织。（B）MC microfibril的TEM形貌。（C）纤维内部平行排列的MC microfibril形貌。（D）ALB扫描透射电子显微镜（STEM）下的亚层结构形貌。（E）ALB断裂表面SEM形貌。（F）胶合板状ALB宏观形貌。


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图3.仿生板层骨ALB的机械性能。（A）通过纳米压痕测试得到ALB的硬度（H）和杨氏模量（Ey）。（B）ALB和天然牛皮质骨的残余压痕SEM形貌。（C）Ey与H的Ashby图。（D）断裂韧性（KC）与Ey的关系。（E）单边缺口三点弯曲（SENB）试验得到的弯曲强度（σf）和模量（Ef）。（F）抗裂纹曲线。（G）ALB与多种天然合成结构材料的断裂韧性（KC）与弯曲模量的Ashby图。（H）ALB和天然皮质骨的密度、硬度、模量、抗弯强度、抗弯模量和断裂韧性等机械性能之间关系。
研究发现仿生矿化沉积的低结晶态磷酸钙晶体在压力作用下的晶体融合和相转变是块体ALB形成的重要驱动力。此外，在仿生矿化过程中还可以引入多种活性微量元素，如Sr、Mg、Se、Si等，获得生物活性的ALB材料，兼具高强高韧高活性和可降解性能，在骨组织工程中展示了巨大的应用潜力。
上述成果近日以“高强高韧多层级人工板层骨”（Hierarchically Engineered Artificial Lamellar Bone with High Strength and Toughness）为题发表在《微尺度：结构》（Small Structures）上。论文通讯作者为清华大学材料学院王秀梅研究员，论文第一作者为清华大学材料学院博士生赵勇刚。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202200256



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