我國科學家仿生魚鱗片構筑適度有序布利岡結構材料

9日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校俞書宏院士領導的仿生材料研究團隊開展了仿生布利岡結構多級次可重構纖維基元界面設計的系統性研究，提出“仿生適度有序布利岡結構”的概念，分級構筑了具有動態可重構纖維界面的仿生布利岡結構材料。相關研究成果日前發表在國際綜合性期刊《科學進展》上。

作為生物結構的代表，布利岡結構在魚鱗片、龍蝦腹膜、骨骼等生物材料中廣泛存在。獨特的纖維多級結構和穩健的纖維界面作用，可賦予生物材料卓越的力學性能，引起研究人員的廣泛關注。然而，現有研究主要聚焦在建立纖維基元組裝策略和實現不同纖維基元的組裝，在調控纖維基元界面作用，以提升仿生布利岡結構應力傳遞效率和力學功能方面，仍然欠缺。

研究人員進行了基于不同取向角度纖維模型的大規模分子動力學模擬。結果表明，通過引入空間取向度產生的貫穿連鎖結構可以優化氫鍵網絡的維度。三維氫鍵網絡的空間橋接效應不僅增強了纖維體系的荷載傳遞能力和抵抗破壞穩定性，而且通過在塑性變形階段引入更多的氫鍵斷裂-重構行為以促進能量耗散。這種相互對立的影響機制說明適度有序的纖維排列方式，可以獲得最佳的纖維間界面作用，從而優化體系的力學性能。

研究人員利用掃描電子顯微鏡表征單軸牽伸后的細菌纖維素納米纖維膜層的結構，發現納米纖維基元的半有序排列及橋接互鎖行為。這些電鏡和光學實驗表征證實了納米纖維基元網絡互聯特性及其衍生的納米纖維橋接互鎖和三維氫鍵網絡界面在促進基元微運動、廣泛應力傳遞和能量耗散方面的優勢。

此外，研究人員結合螺旋堆疊和熱壓致密化，制備出具有多尺度各向同性的仿生適度有序布利岡結構材料，所構筑的細菌纖維素基仿生半有序布利岡結構材料，展現出突出的綜合力學性能和穩定性。研究人員認為，其在生物醫用領域，如能量耗散型纖維軟骨組織的修復替代方面具有顯著的應用前景。

（中國科大供圖）