生物材料为下一代类似高性能材料的设计提供了独特的灵感来源。特别是耐损伤生物结构是由硬、软成分分层排列成具有纳米到宏观长度尺度特征的多相复合材料组成。这些复杂的多尺度结构使天然生物复合材料具有强度、刚度和韧性，这对其从结构支撑、防御到狩猎等生理功能至关重要。然而，这些机械性能很难进行合成复制。
【成果简介】
近期，芬兰国家技术研究中心Mohammadi, Pezhman、Penttila, Merja联合阿尔托大学Nonappa及其他合作者，受口足类动物抗冲击趾棒的启发，并对其棒状体对进行了详细的物理化学和微观力学分析，确定了赋予其显著损伤容限的关键微观结构因素，合理设计并生产了一种矿化生物复合材料，其梯度结构模仿螳螂虾趾棒的关键特征。它具有纤维素结合模块(CBMs)和CMP-1酸性结构域调节生物矿化的人工蛋白，以及磷灰石，这是一种强且耐损伤的蛋白质。可以用于生产具有高强度、刚度、断裂韧性和复杂形状的牙冠种植材料。这种材料由扩大的螺旋状结构的纤维素纳米晶体(CNCs)与基因工程蛋白混合而成，调节与CNCs的结合和增强磷灰石晶体的原位生长。关键的是，结构特性来自于控制自组装跨越多个长度尺度的合理工程和蛋白质组分的相分离。相关工作以"Bioinspired Functionally Graded Composite Assembled Using Cellulose Nanocrystals and Genetically Engineered Proteins with Controlled Biomineralization"发表在《ADVANCED MATERIALS》。
选择植物衍生和大量可用的胶体CNC棒作为复合材料的主体成分，利用CNC与含碳水化合物结合域（CBD）的蛋白质的结构相容性，绕过低纵横比的低断裂耗散的限制。合理地设计了一组具有三块结构的五种蛋白质，结合了这三个特征。其中，五种蛋白质中的四种被称为增强蛋白（RF1-4），而另一种被称为矿化蛋白（MP1）。每个蛋白质设计包括一个中心结构域，该结构域由一个具有内在无序倾向的弹性结构蛋白组成，该结构蛋白具有自凝聚性，以及与CNCs结合的末端结构域（即CBMs）或矿化性质。
探讨了CNC手性向列结构在复合材料中的断裂耗散优化。首先，组装并对纳米复合薄膜进行了拉伸测量，评估了单个蛋白质变体对机械性能的影响，与纯CNC相比，含有RP1、RP3和RP4的混合物在刚度、强度和韧性模量方面表现出相当大的改善，而在破坏时应变仅略有减少(≈0.5–1%)。RP4显示出最高的刚度（33±3 GPa）、强度（460±35 MPa）和韧性模量（11±0.9 MJ m−3）。试验证明了蛋白质分子量对其纳米纤维化纤维素复合纤维的机械性能的影响。在增加重量比（恒定CNC含量为6%w/w）时，模量、强度和韧性明显降低。RP4确实可以有效吸附到CNC表面，并遵循CNC的左手扭转，且RP4存在一个最佳的相对含量。对于RP4 10%/CNC 10%w/v，发现HOP为0.96，最终导致更高的弯曲强度和模量，这可归因于CNC杆的更密集排列和更高的取向度。RP4 10%/CNC 10%w/v体积的极限弯曲强度达到150 MPa，弯曲模量约为12 GPa。评估了稳定的裂纹扩展行为，它们表现出显著的r曲线行为(稳定的裂纹扩展)，在灾难性破坏之前，等效断裂韧性高达5 MPa m1/2。
探索了MP1能否在螺旋状组织的RP4/CNC 3D框架表面诱导仿生磷灰石矿化，并模拟出指状棒的高度矿化外部冲击区域。MP1在螺旋状组织的RP4/CNC 3D支架表面的分离可以诱导仿生磷灰石矿化，并模拟出指状短节高矿化的坚硬和坚硬的外部冲击区域。带有负电荷羧基的碳纳米管与MP1协同工作，增强无机离子的隔离和磷灰石的结晶，从而改善表面硬化。HAP可以在各向异性几丁质蛋白支架表面的球杆高矿化区大块区域形成同位素分布的颗粒形状。
使用CNC水凝胶，其中加入RP4(10%)，将混合物注入到定制的冠模中，60°C压力下干燥，形成犬齿、第一前磨牙和第二前磨牙。为了验证材料从外部到内部的结构和力学性能的梯度，从顶部切割一个砖样，并通过SEM和相图进行成像。通过对整个冠进行纳米压痕映射，将微观结构梯度与力学性能关联起来。外部弹性模量为≈25 ~ 36 GPa，硬度为1.9 ~ 3.2 GPa。相比之下，内部区域更柔顺(弹性模量18至22 GPa)和更软(硬度1.5~ 1.7 GPa)。将所得值与人类天然牙的双层结构进行比较，发现两者有相似的趋势，天然牙齿釉质的弹性和硬度值分别为70-80 GPa和4-4.5 GPa，牙本质(内部)的弹性和硬度值分别为15-20 GPa和0.5-0.8 GPa。表面性能略有不足，内部性能已经和天然牙齿相媲美。最终通过在2D膜表面培养成人真皮成纤维细胞对牙冠表面进行体外细胞相容性评估，2D膜的成分与仿生牙冠的外表面相同。
【总结与展望】
设计了一种生物灵感和坚固的矿化复合材料。起始基质由自组装成三维手性向列型支架的CNCs组成，随后与一系列合理设计的结合CNCs的基因工程多域蛋白混合，随后调节HAP晶体的成核和生长。重要的是，LLPS也编码在蛋白质的一级结构中，导致高度浓缩的液体状凝聚微滴，具有优越的润湿性，渗入CNC支架。由此产生的生物激发复合材料呈现出具有相关力学梯度的梯度微结构，与人类牙齿或口足类指状棒等天然生物矿化复合材料中观察到的微结构极为相似。该工作为骨科应用、骨修复和生物工程的材料制造和原型制造的规模化提供了借鉴。(以上文章来源于微信公众号：高分子科学前沿）
