發(fā)布時(shí)間：2022-01-26 23:19

　　迄今為止,高性能先進(jìn)材料的制備常需要高溫、高壓等苛刻條件,伴隨著巨大的能源消耗,而自然界中的生物體,如陸上的參天大樹(shù),海里的五彩貝殼,空中的翩飛蝴蝶,這些有機(jī)體在最低耗的常溫常壓下,由最常見(jiàn)的物質(zhì)構(gòu)成,卻有著人造材料難以企及的等級(jí)結(jié)構(gòu)和高性能。學(xué)習(xí)生物體的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu),模仿其結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)新材料,以獲得類似的結(jié)構(gòu)或功能特性,我們稱為“仿生結(jié)構(gòu)”或“仿生功能”。但生物體在常溫常壓下合成和制備這些精妙結(jié)構(gòu)的過(guò)程更值得探究。模擬動(dòng)植物體的結(jié)構(gòu)形成過(guò)程,或者從動(dòng)植物體的結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中得到靈感和啟發(fā),進(jìn)而完成材料的合成與制備,我們稱為“生物過(guò)程啟示的材料合成”。自然界中生物體的結(jié)構(gòu)形成過(guò)程都離不開(kāi)生物大分子的作用。作為典型的生物礦物,牙齒被認(rèn)為是生物體內(nèi)最硬、最耐磨的礦化組織,牙釉質(zhì)由羥基磷灰石納米纖維層層組裝而成,具有卓越的力學(xué)性能。釉原蛋白是釉質(zhì)發(fā)育初期最重要的牙釉質(zhì)基質(zhì)蛋白,在調(diào)控羥基磷灰石的礦化和構(gòu)建釉質(zhì)的有序結(jié)構(gòu)上起著舉足輕重的作用。釉原蛋白在釉質(zhì)成熟階段被消化和吸收,因此,我們無(wú)法從生物體中提取大量釉原蛋白,這也使得釉原蛋白對(duì)羥基磷灰石的礦化機(jī)制尚未揭示清楚。本文首先采用分子生物學(xué)技術(shù),... 

【文章來(lái)源】：武漢理工大學(xué)湖北省211工程院校教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

先進(jìn)材料的合成與制備技術(shù)

4滑移、膠原蛋白分子解旋、微裂紋、犧牲鍵，發(fā)生于裂紋尖端的前沿區(qū)域，促進(jìn)塑性變形；第二，微米（10-100μm）尺度的非本征增韌機(jī)制，當(dāng)裂紋開(kāi)始生長(zhǎng)時(shí)，裂紋橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)、膠原纖維橋接等非本征機(jī)制被激發(fā)，從而抑制裂紋的擴(kuò)展[21,24,25]。圖1-2（a）骨與（b）珍珠層的分級(jí)結(jié)構(gòu)[21]。Figure1-2Hierarchicalstructureof(a)boneand(b)bamboo.貝殼珍珠層是典型的有機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料，無(wú)機(jī)組分占比95wt%，由片狀文石（CaCO3）晶體層層交錯(cuò)排列而成，片狀文石直徑5-8μm，厚度200-900nm，層間由10-50nm厚的生物大分子層連接。最近的研究發(fā)現(xiàn)，單個(gè)片狀文石實(shí)際又是由成千上萬(wàn)的納米小顆粒（直徑約30nm）組裝連接而成的（圖1-2b）。珍珠層是公認(rèn)的高強(qiáng)超韌材料，其出眾的力學(xué)性能就源自這種精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)。有數(shù)據(jù)表明，純相文石的斷裂韌性約0.25MPa·m1/2，而珍珠層的韌性卻達(dá)到10MPa·m1/2，高出40倍之多[21,26]。有限的層間有機(jī)物對(duì)材料增韌起著重要作用，當(dāng)珍珠層受到荷載時(shí)，裂紋會(huì)沿著有機(jī)質(zhì)層傳播一段距離，消耗能量，即發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)，層狀珍珠層中裂紋的頻繁偏轉(zhuǎn)能有效抑制裂紋擴(kuò)展，因此展現(xiàn)優(yōu)異的斷裂韌性[27-29]。牙齒由內(nèi)部牙本質(zhì)和表層幾毫米厚的牙釉質(zhì)保護(hù)層構(gòu)成，牙本質(zhì)與骨組織

5相似，主要組分是羥基磷灰石和膠原纖維，而牙釉質(zhì)的無(wú)機(jī)相（羥基磷灰石）含量卻高達(dá)96wt%，有機(jī)質(zhì)鮮少存在。牙釉質(zhì)高度組裝的微觀結(jié)構(gòu)和高無(wú)機(jī)含量，使其成為生物體內(nèi)最硬、最耐磨的礦化組織。但哺乳動(dòng)物的臼齒每天要承受口腔咀嚼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高達(dá)1000N的咬合力，并循環(huán)上千次，日復(fù)一日卻不會(huì)出現(xiàn)損傷（牙齒不同于骨組織，無(wú)自修復(fù)能力），這僅靠脆性的牙釉質(zhì)是無(wú)法達(dá)到的。牙本質(zhì)作為韌性的承載基礎(chǔ)，以及牙本質(zhì)-釉質(zhì)界面（dentin-enameljunction,DEJ）的裂紋阻斷特性，賦予了牙齒良好的斷裂韌性[30-32]。圖1-3牙釉質(zhì)的分級(jí)結(jié)構(gòu)[34-36]。（a）牙齒縱截面特有的Hunter-SchregerBands明暗交替條紋；（b）HSBs的掃描電鏡圖。如果樣品沿圖中點(diǎn)畫線方向切開(kāi)，則會(huì)得到插圖中的橫截面圖；（c）牙釉質(zhì)表層掃描電鏡圖；（d）牙釉質(zhì)等級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖。Figure1-3Thehierarchicalstructureofenamel.(a)TheappearanceofHunter-SchregerBands(alternatedarkandlightbands).(b)SEMmicrographoftheHSBs(labelledX-Y).Ifthespecimenweresectionedalongthestippledline,astructuralpatterninthetransverseplanecouldappearasintheinset.(c)SEMmicrographoftheradialpatterninthesuperficialenamel.(d)Schematicillustrationofthehierarchicalenamelstructure.牙釉質(zhì)復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)仍然備受關(guān)注，其基本結(jié)構(gòu)單元是釉柱，直徑6-8μm，由取向生長(zhǎng)的羥基磷灰石納米纖維沿長(zhǎng)軸方向平行組裝而成[33]，釉質(zhì)表層和內(nèi)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Meeting report: a hard look at the state of enamel research[J]. Ophir D Klein,Olivier Duverger,Wendy Shaw,Rodrigo S Lacruz,Derk Joester,Janet Moradian-Oldak,Megan K Pugach,J Timothy Wright,Sarah E Millar,Ashok B Kulkarni,John D Bartlett,Thomas GH Diekwisch,Pamela Den Besten,James P Simmer.  International Journal of Oral Science. 2017(04)



本文編號(hào)：3611306