Nat. Mater.：骨骼中纳米级的复合结构决定它的强度和抗损性能

一般材料的强度和韧性是此消彼长的关系，强度越高的材料，韧性就会越差，反过来说就是韧性越好的材料它的强度就越差。但是一些生物材料，如珍珠质、牙本质、骨骼等却能同时拥有高的强度和好的韧性，很多研究表明它们的这些性质与纳米尺寸的层次结构有关。

骨骼可以分为皮质骨和松质骨，皮质骨占全部骨重量的80%，而松质骨只占20%。松质骨是多孔的，分布于长骨的两端、短骨、扁骨及不规则骨的内部。

图1 松质骨（图片引自网上）

骨骼在纳米尺寸上主要是由胶原蛋白纤维和碳酸化羟基磷灰石（cHA）组成的，通常认为cHA是结晶的，但是最近却发现无定形磷酸钙（ACP）的存在，这些矿物质的形成机制还没有弄清楚。另一方面，为了解释骨骼高强度和高韧性共存的原因，科学家提出的模型经常是基于胶原蛋白纤维和cHA形成有序结构这一假设，而ACP的发现，使得重新评估这一模型显得非常有必要。

最近加州理工学院的Ottman A. Tertuliano（通讯作者）和 Julia R. Greer用松质骨进行实验，证实骨中存在有序相和无序相，而ACP就存在无序相中。他们随后用有序相和无序相制得直径为250-3000nm的小圆柱进行压缩实验，发现随着尺寸的降低，小圆柱的强度提高了，而且发生了从韧到脆的转变，最后他们用提出了新的模型来解释这些现象。

图2 不同尺度上松质骨的结构 （a）宏观（b）毫米尺度上的多孔结构（c-e）微观尺度上的有序相和无序相

图3 有序相（a，c）及无序相（b，d）的形貌及衍射花样，可以看出有序相的纤维排列也是有序的，cHA是结晶的，而无序相中纤维相互缠绕，有ACP的存在。

图4 （a-c）直径分别为3000、500、250nm的有序相圆柱压缩前（左）和压缩后（右）的形态，（d-f）则是相应的无序相的。可以看出断裂方式由剪切式变为塌方式，说明小圆柱由韧变脆；g，h）是相应的应力-应变曲线，也说明材料由韧变脆；（i-k）直径为3000纳米的圆柱压缩后不同位置的侧面剖视图，证明裂痕由最初在表面产生。

图5 （a）有序/无序相屈服强度与直径之间的关系以及通过模型计算的值，可以发现只有进入纳米尺度上，圆柱的强度才开始提高，并且理论值和实际值也比较吻合。（b）基于空洞随机分布提出的模型，图中的不规则图形代表空洞。

作者的实验支持了胶原蛋白纤维的三维结构对cHA的结晶有影响的观点，他们发现无论有序相还是无序相，空洞都是最先形成裂纹的，这使得他们的强度几乎一样，说明有序相的存在不会影响骨骼整体的强度，作者的成果使得对骨骼的仿生更进一步。

文献链接：The nanocomposite nature of bone drives its strength and damage resistance（Nat. Mater.，2016，DOI: 10.1038/NMAT4719）

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