受牙齿启发的新一代材料

MATERIAL 材料科学
达雷克 • 戈雷茨基(Darek Gorecki)是一名研究肌肉萎缩症的分子医学教授,任职于英国朴茨茅斯大学。在与新同事喝咖啡闲谈时,他了解到软体动物帽贝的牙齿的独特之处,并对这个与其专业相去甚远的生物材料领域产生浓厚兴趣。
2015年,帽贝牙齿取代蜘蛛丝,成为已知最坚硬的生物材料,其拉伸强度(承受拉伸的能力)比后者大很多,甚至能与碳纤维和凯夫拉纤维相媲美。制造这种牙齿材料需要投入大量劳动力,而戈雷茨基觉得,可以在实验室里
通过培养帽贝细胞来获得该材料。
他曾如此说道:“我是一名医生,
但我对能否培养得到这种牙齿材料
感兴趣,我想知道自己的想法能否实
现。纯粹是好奇心驱动我做这件事。
在我看来,这方面工作并无实际应用
前景。”
不过在成功培养细胞并生产出
超强纤维材料后,戈雷茨基和他在朴
次茅斯大学的团队开始重新思考“应
用”问题。这种纤维的超常性能实际
上极具应用价值。戈雷茨基表示:“鉴
于这是一种可生物降解的仿生材料,
它的应用范围非常广泛——从生物工
程到防弹背心。”
人造纤维污染环境,而我们正越
发迫切地寻能替代它的新材料,但
目前看来,替代者无法兼具可持续性
和耐用性。为了创造未来的材料,科学
家把目光投向动物牙齿的世界,从那
些非凡的结构中获得灵感。自然界最
坚韧的牙齿能以多种方式应对最严峻
受牙齿启发的新一代材料
伊恩 • 勒吉尤(Ian Le Guillou)发现一些自然界中最坚韧的结构,如牙齿,有望帮
助科学家开发出颠覆行业的新型纤维。
编译桨笃绘
的挑战。
英国伦敦帝国理工学院的材料科学家弗洛里安 • 布维尔(Flor ia n Bouville)表示:“数百万年进化对牙齿结构的调整,比我们能想到的任何配方都好得多。如果你到一种天然材料,它可以完成你希望材料
完成的任务,那么它可能就是你所能打造的最有效、最理想的结构了。”
舌头上的牙齿
前文提到的帽贝是一种喜欢附着在海边岩石上的海生贝类,其牙齿的坚韧程度与其严酷的生存环境相匹配。帽贝在生命绝大多数时间里都牢牢附着于岩石,用自己长着牙齿的舌头不断刮擦岩石,刮出食物,即藻类和微生物,并送入口中。牙齿沿着传送带般的舌头生长,这就是帽贝的齿舌,有着超现实主义大师达利画作的梦魇气质。
帽贝牙齿长度在1毫米左右,主要成分是铁氧化物,以针铁矿的形式存在于甲壳素的支架上。甲壳素又名甲壳质或几丁质,是一种天然高分子聚合多糖物质,存在于很多无脊椎动物的外壳中,例如螃蟹和昆虫。戈雷茨基实验室的博士后研究员罗宾 • 拉姆尼(Robin Rumney)表示:“这是一种极其坚韧的材料。它具备很高的拉伸强度和柔韧性。”
甲壳素的柔韧框架,结合至刚至硬的矿物质,这样的复合结构实际上
广泛存于自然界,人类的骨骼和牙齿
也少不了它们。不过帽贝牙齿的极高
矿物质含量使其尤为坚固。
拉姆尼在实验室中培养帽贝齿
舌细胞,发现它们会向周围液体释放
酶,从而促进铁氧化物沉积至甲壳
素。即使细胞被过滤掉,剩下的培养
液仍然具备催化作用,能“培育”甲壳
素,促进其矿化,最终产出高度坚韧的
复合材料。
培育得到的材料与帽贝牙齿非常
相似——当然,纤维排列和针铁矿晶
体尺寸的微小差异意味着它的强度不
那么高。戈雷茨基表示:“我们只是
设法证明,通过模仿帽贝长牙齿的过
程,就可以制备拥有相似特性的仿生
材料。”
实验室合成针铁矿大约耗时3
天,还要在强酸里加热试剂。相比之
下,拉姆尼的方法需要2周时间,但能
在14℃和几乎中性的酸碱度条件下奏
效。用他的话说:“这个过程有点慢,
但需要的能量少得多,因为帽贝的生
物进化优化了制备工艺,它可以在海
水温度下运作。”
戈雷茨基团队正在分析舌齿细胞
的遗传活性,尝试进一步确定酶的成
份。如果研究顺利,他们将获得可用于
工业化生产的催化蛋白,而无需再用
培养细胞的方式制备材料。戈雷茨基
等人已经确定了有助于分解甲壳素的
酶——或能重组纤维,为针铁矿沉积
做好准备。
该材料目前只是概念验证,样品
仅半厘米宽。为进一步扩大规模,研究
团队正尝试用挥发性较小的溶剂制造
甲壳素纤维,并开展合作以制造更大
面积(最大可达A4纸大小)的甲壳素
网络。
目前材料产量很低,只能使用原
子力显微镜测量其硬度。只有对于较大
的样本,科学家才能用更经典的机械
方法测试材料。戈雷茨基说道:“关键
在于我们要认识到,当扩大规模时,机
械性能可能会发生很大变化。这并不
意味着它们可能失去功能,但确实有所
不同。”
如前文所述,许多人造纤维都面
临可持续性挑战,而这些基于帽贝牙
齿的仿生材料则无此困扰。要知道甲
壳素是自然界第二丰富的多糖,仅次
于纤维素,每年有十亿吨来自生物圈
的产量。据估计,每年有100万吨甲壳
素作为海产品垃圾被丢弃。拉姆尼希
望能好好利用起这些原料。
牙齿竟能自愈合
帽贝牙齿或许可摘得最强悍生物
材料的桂冠,但拥有神兵利齿的海洋
生物不止它。鱿鱼触手吸盘上的牙齿
有望启发新型自愈材料。
鱿鱼吸盘腔里长有环齿,用于咬
帽贝的牙齿沿着它的牙床生长帽贝需要坚韧的牙齿才能粘在岩石上
鱿鱼吸盘腔里的牙齿挺柔韧
住猎物,自然也就要承受巨大、波动的压力和剪切力。能经受住着些考验,意味着鱿鱼环齿像人类的骨头一般坚硬,同时又像指甲那样柔韧。
损坏当然也会发生,但不同于人类牙齿,鱿鱼环齿因其独特构造,是
可以自愈的:牙齿的蛋白质具有特定氨基酸重复序列,形成紧密的氢键网络,网络可以反复断裂和重组,因此牙齿能在沸水中软化和重塑,而在冷却时恢复硬度。
美国宾夕法尼亚州立大学工程学教授梅利克•德米雷尔(M e l i k Demirel)在过去10年里专注于研究鱿鱼环齿的蛋白质,并成立一家公司,试图充分开掘其应用潜力。他把鱿鱼基因植入细菌体内,创建了一
条生产环齿蛋白纤维的管线。他表示:“我们现在知道如何生产公斤级规模的纤维,但还不清楚怎样把公斤级提升至吨级。”
德米雷尔和同事仍在探索鱿鱼环齿纤维的许多不寻常特性,希望确定更多未来应用。例如,纤维具备高摩擦电性能,这意味着它可以积聚大量静电荷,非常适用于捕获颗粒。德米雷尔已经利用这种材料构建了过滤器原型。
不同于会缩水的丝绸,鱿鱼环齿纤维具备防水性。这一优点有助于开拓一系列应用,例如疝气修补。德米雷尔与其外科医生同事通过动物试验证明,鱿鱼环齿蛋白涂层可提高用于修补腹壁疝的塑料网的集成度和强度。
德米雷尔思考着更广阔的市场,例如服装——能不能研发出一种坚韧耐用、能自我修复、可生物降解且可调节的织物,取代对聚酯等合成材料的需求目前看来,成本是一个挑战。德米雷尔实验室正尝试把较便宜的类纤维素材料混入环齿纤维,以降低成本。“如果我们能让这东西更便宜,它
就能有广阔的市场。同样的,如果你想
发明一种新材料,它必须足够便宜,才
可以让整个社会接受它。”
隐藏的结构层
鱿鱼环齿蛋白质结构里的紧密结
合部分保证了材料硬度,而非结构化
区域则提供柔韧性。这种硬与软的平
衡也存在于人类的牙齿中。
牙釉质是人体内最坚硬的物质,
因为它含有大量羟基磷灰石矿物。人体
骨骼也有这种磷酸钙,但含量低得多。
在牙釉质中,不计其数的羟基磷
灰石晶体组成釉柱,不计其数的釉柱
又以特定方式排列构成釉质,蛋白质
基质固定这些晶体。特殊的材料结构
令牙釉质比钢铁更坚固,不过至刚易
折,用材料学家布维尔的话说:“它如
果完全由矿质组成,就会非常脆。”
牙齿之所以不易碎裂,秘诀在于
牙釉质下面较柔性的牙本质。这一铺
垫层的羟基磷灰石含量比牙釉质少,
并形成了水平排列的矿质棒。布维
尔表示:“牙釉质下面的铺垫层更柔
顺、更具韧性,因此即便牙釉质出现任
何裂纹,裂纹在交界面上就中止了。”
类似模式的双层强化也被用于重
型钢制工具。一方面,快速加热和冷却
金属外层会破坏晶体结构,使外层变
得更硬;另一方面,较柔韧的内层支撑
着外层。
布维尔与其同事、新加坡南洋理
工大学的材料科学家霍滕丝 • 勒费朗
(Hortense Le Ferrand)利用磁场排
列金属薄片,重建了齿状双层结构。研
究团队向特制模具倒入磁化陶瓷片的
悬浮液,并使其在弱磁场作用下凝固
以形成外表面,一旦外层坚固了,他们
就继续用内层原料和垂直磁场重复成
型过程,最终得到牙齿轮廓。
这种磁力辅助注浆成型方法使研
究人员能够重建具有光滑表面的臼齿
轮廓。布维尔如此说道:“这可能是我
们第一次拥有一套既能打造高度复杂
的外部形状,又可局部控制增强方向
的工艺。”
勒费朗表示,这种方法可以有效
防止材料出现缺陷。“你会希望它尽可
能紧密堆积,材料足够致密了,粒子就
开始相互作用。鉴于此,我们决定使用
注浆成型的方法,对原料的稀溶液除
水浓缩。”布维尔说道,“我们也可以
控制成分,使其外层矿化程度更高。对
于内部,则可以改变增强方向和矿物
质含量。”
然后,研究团队将仿真牙齿浸泡
于丙烯酸单体中进行聚合交联,得到
近似天然牙齿的强度。
虽然布维尔和勒费朗打造出形状
和硬度都高度仿真的假臼齿,但真牙
齿的结构终究比赝品复杂太多。布维
尔说道:“牙齿的结构很完美,也很难
复制。这也是为什么我们称自己的工
作基于生物启发,而非生物模仿。”
研究团队将该项目视为制造异质
合成复合材料结构的概念验证。它有
望催生更多基于生物启发的材料创
新,包括基于珍珠质的超强韧材料
这是一种在一些软体动物中发现的坚韧材料。
布维尔认为,虽然仿真牙齿目前明确可行的应用是种植牙,但它相比现有的陶瓷牙不会有太大优势。布维尔等人正与一所牙科学校合作,探索它们作为训练耗材的潜力——牙医拿这些仿真牙练习如何在钻牙釉质的时候不钻入牙本质。“很难到具有与真牙相同质地的材料。他们训练时用的材料主要是别人捐赠的牙齿。”多元应用前景
虽然这种自然结构已经在漫长进化中被磨砺得足够优秀,但材料科学家仍有很大的改造空间,可以开展多种功能调整,使其适应新用途。
受生物学启发的材料分层结构,除了强度优势,还有其他亮点。磁力辅助注浆成型方法能塑造功能材料的取向。例如,勒费朗生产的氮化硼复合材料可以在特定方向上有效传导热量,这有助于冷却紧密封装的电子产品。
这种磁性排列还可以与3D打印等其他制造技术相结合。这是一种自下而上的组装形式,模仿了活细胞分泌牙釉质、牙釉质矿化的材料成型模式,能够创建复合结构。勒费朗使用
的方法使每个液滴(或者说体素)的
厚度仅为200微米。这种技术能让材料
结构变得更复杂。“你可以改变一个
体素的成分或方向。”
随着学界有能力生产越发复杂的
结构,勒费朗希望机器学习帮助我们
创造新的高性能材料。这个领域正在
进步,科学家正在设计能满足各种要
求的微型结构,将具备不同属性的组
件置于精心制作的3D阵列中。勒费朗
说道:“它不只是一款应用,更像是一
种工具,一种帮你做任何想做之事的
工具。”
在AI强大到足以改进天然材料
前,戈雷茨基和他的团队正用帽贝牙
齿纤维开展实验,尝试改变其特性,
包括添加其他矿物质——灵感来自帽
贝吸收污染水域的金属,如镍、铝和
钛。纤维的特性还可通过改变生产过
程来调整,例如改变甲壳素的厚度或
掺入壳聚糖(类似甲壳素的多糖,有利
于隔热)。
基于鱿鱼环齿的纤维,其蛋白质
含有大量有变化潜力的氨基酸序列,
因此纤维具备更大的调整空间。德米
雷尔开发了两版加强型纤维,一种坚
韧度升级,另一种能在几秒钟内快速
自愈合。此外,他还能通过切换蛋白
质的带电基团调节过滤器静电,从
而开发新用途,例如打印机方面的应
用。通过特定设计,这种材料甚至能
根据水合作用改变导热率。德米雷尔
说道:“你对纤维的期望可能与对过
滤器的不同。因此,你必须使用两种
不同的氨基酸序列,而如何做到这一
点是关键问题。”
我们周围存在非凡的天然材料,
其复杂结构超出了现有的制造能力。
很少有比牙齿更出众的天然材料了,
它们专为极度恶劣的环境而生,能
承受重载、撕扯和挤压而无恙。对于
科学界而言,这些生物材料是丰富的
灵感源泉,将在未来多年里孕育出硕
果。然而,如何把这种灵感转化为可扩
展、可应用的材料,仍是一个挑战。
重新构想的制造工艺,无论是生
产蛋白质的生物反应器、回收海产品
垃圾还是高精度3D打印机,都将为创
造新一代材料提供解决方案。海洋污
染的解决方案可以来自海洋生物本
身,这是一种带有诗意的正义。
正如20世纪中叶合成纤维的繁荣
颠覆了纺织品市场一样,环保、受牙齿
启发的新材料可以帮助社会变得更可
持续。
资料来源 Chemistry World
本文作者伊恩•勒吉尤(I a n L e
Guillou)
是英国伦敦的自由撰稿人
磁力辅助注浆成型可用于制造仿真牙齿,使假牙拥有近似真牙的复杂轮廓、强度和光滑度

本文发布于:2024-09-23 06:37:39,感谢您对本站的认可!

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