更坚韧和更轻的牙种植冠可以由纤维素基纳米复合材料制成

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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,模仿桃螳螂虾棒,并在实验室中使用它制造新的牙科种植冠。这种新的生物灵感材料是桦树纤维素和一组基因工程蛋白质的混合。其结果是一种比人造技术陶瓷更坚固、更坚韧、更轻的材料。它极有可能成为下一代抗冲击植入物、运动器材、防弹衣、飞机外骨骼、电子产品或挡风玻璃表面涂层等方面的材料。

大自然为我们提供了独特的见解,让我们了解由生物进化而来的设计策略,从而构造出坚固的材料。在这种情况下,研究小组能够创造一种新的抗冲击材料的灵感来自于螳螂虾的指节棒。这种新材料可以用于那些需要承受重复性高应变率冲击,同时保持结构完整性的应用场合。研究结果于2021年9月1日发表先进材料DOI: 10.1002 / ADMA.202102658)。

模仿螳螂虾的棍子

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棒的建筑设计。

“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,它们在动物界有着最强大的杀伤力。在近距离捕猎时,它们会以比步枪子弹更大的速度和力量,抛出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。螳螂虾的主要食物来源是硬壳海洋生物,比如软体动物。为了达到柔软、有营养的部分,它们直接通过这些高度矿化的外骨骼。”

早期的研究表明,棒状材料是一种具有梯度力学性能的多级有序纳米复合材料。“俱乐部有一个柔软的内层提供能量耗散和一个坚硬的,坚硬的,抗冲击的外层。这些层合在一起,提高了球杆的整体损伤容忍度。这两个层都有类似的构建块,但相对内容、多态形式和组织不同。主要的组成部分是由富含蛋白质的基质粘合在一起的螺旋状排列的几丁质纳米纤维,”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积木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基因工程蛋白质组成。一种蛋白被设计用于增加材料的界面强度,另一种蛋白用于介导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,制造出具有周期性微强化取向的种植牙冠,以及类似人类牙齿的双层结构。随着进一步的研究,这些蛋白质可以被设计成为材料提供新的特性。
对于未来的应用,材料的可扩展性和加工条件需要进一步发展。

该研究小组包括合成生物学、蛋白质工程、材料科学和软物质物理学等领域的专家。这个为期两年半的项目由VTT和The珍妮和安蒂·威胡利基金会青年Synbio科学家中心(CYSS)计划由教授Merja Penttila

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