大熊猫牙齿坚固竟有这功能:能实现自修复

大熊猫是动物界中牙尖齿利的典型代表,其99%的食物是竹子,坚固强悍的牙齿是大熊猫啃食竹子的利器。近日,中科院金属研究所材料疲劳与断裂实验室博士刘增乾研究团队发现,大熊猫牙釉质能够在发生变形与损伤后在微纳米尺度进行显著的自动回复。最新研究成果近日发表于《生物材料学报》。

刘增乾表示,大熊猫牙齿实现自修复,主要得益于其牙釉质高密度的富含有机质的微观界面和巧妙的组织结构设计,即组成牙釉质的无机矿物单元在微纳米尺度均沿咬合方向规则排列,而矿物之间的界面以天然有机质填充。

牙釉质的变形、损伤与自动回复微观上都是以界面为媒介实现的,水分子能够对自修复效应起到显著的促进作用,这主要归因于牙釉质界面中的天然有机质在水合条件下会发生溶胀、高分子链柔性提高、玻璃化转变温度降低等转变。

该团队在系统阐明天然生物材料梯度设计的形式、原则及其起到的作用与机制的基础上,首次提出了新型材料组织结构取向梯度的概念与设计原则。同时,该研究组首次发现,材料在加载过程中发生的组织结构再取向不仅可以提高其变形能力,更能够为实现综合力学性能的改善提供有效的途径。材料可以利用有限的变形实现其刚度、强度、稳定性与断裂韧性的全面提升,而这些性能本身则往往体现出相互制约的关系。此外,针对自然界长期“军备竞赛”形成的主要用作武器的天然生物材料,该研究组还阐明了其主要的种类、形式与组织结构特征,从材料科学与力学角度揭示了其同步实现进攻与防护效果的性能优化机理,并提炼了共性的仿生材料设计原则。

目前,该研究组正致力于设计研发新型的仿生材料,并且在人牙匹配型仿生复合义齿材料、高强高导电接触材料等方面取得了新进展。

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