更坚固、更轻的种植牙冠可以用纤维基纳米复合材料制成

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来自VTT的一个研究小组与南洋理工大学合作,开发了一种可持续的多相纳米复合材料,模仿桃螳螂虾俱乐部,并用它在实验室中制造新的种植牙冠。这种新的生物材料是桦木纤维素和一组基因工程蛋白质的混合物。其结果是一种比人造技术陶瓷更坚固、更坚韧、更轻的材料。例如,它有很大的潜力成为抗冲击植入物、运动设备、防弹衣、飞机外骨骼、电子产品或挡风玻璃表面涂层的下一代材料。

大自然提供了独特的见解,让我们了解由生物体进化而来的设计策略,以构建坚固的材料。在这种情况下,研究小组能够创造一种新的抗冲击材料,灵感来自螳螂虾的dactyl棒。这种新材料可用于需要承受重复的高应变率冲击,同时保持结构完整性的应用。研究结果于2021年9月1日发表在先进材料DOI: 10.1002 / ADMA.202102658)。

模仿螳螂虾的棍棒

VTT的一个研究小组成功地设计和生产了一种矿化生物复合材料,具有高强度、刚度和断裂韧性,类似于螳螂虾的指节结构设计。

“这些迷人的虾是自然界最致命的杀人机器之一。相对于它们的小体型,它们在动物王国里是最强的。在近距离狩猎时,它们以惊人的速度和比步枪子弹更大的力量投掷一对锤状的猛禽附肢来粉碎猎物。”Pezhman穆罕默VTT的研究科学家。皮皮虾的主要食物来源是硬壳海洋生物,比如软体动物。为了到达柔软、有营养的部分,它们直接穿过这些高度矿化的外骨骼。”

早期的研究表明,棒状结构是一种具有分级力学性能的多相有序纳米复合材料。“俱乐部有一个柔软的内层,提供能量耗散和一个坚硬、坚硬、抗冲击的外层。这些层一起提高了球杆的整体抗伤害能力。这两个层都有类似的构建块,但是相对内容、多态形式和组织不同。主要的组成部分是螺旋状有序的几丁质纳米纤维,由富含蛋白质的基质粘合在一起,”Mohammadi说。

结合纤维素纳米晶体和蛋白质

研究小组通过使用类似的构建模块和加工条件复制了这种结构。他们组装了一种新的复合材料,由纤维素纳米晶体和两种类型的基因工程蛋白质组成。一种蛋白质被设计用来增加材料的界面强度,另一种蛋白质则用来调节羟基磷灰石晶体的成核和生长。这种新型复合材料被加工成复杂的形状,通过将其制造成具有周期性微强化定向模式的种植牙冠,以及类似于人类牙齿的双层结构。随着进一步的研究,这些蛋白质可以被改造为材料的新特性。
对于未来的应用,材料的可扩展性和加工条件还需要进一步发展。

该研究团队包括合成生物学、蛋白质工程、材料科学和软物质物理学方面的专家。这个为期两年半的项目得到了VTT和Jenny and Antti Wihuri基金会青年合成生物科学家中心(CYSS)计划由教授领导Merja Penttila

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Pezhman穆罕默
Pezhman穆罕默

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