纤维素基纳米复合材料可以制成更坚韧、更轻的种植牙冠

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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,模仿了孔雀螳螂虾俱乐部,并在实验室中用它制造了新的种植牙冠。这种新型生物材料是桦木纤维素和一组基因工程蛋白的混合物。其结果是一种比人造技术陶瓷更坚固、更坚韧、更轻的材料。它极有可能成为下一代抗冲击植入物、运动装备、防弹衣、飞机外骨骼、电子产品或挡风玻璃表面涂层等材料。

《自然》为我们提供了独特的视角,让我们了解生物有机体在构建坚固材料时所进化出的设计策略。在这种情况下,研究小组能够创造出一种新的抗冲击材料,灵感来自螳螂虾的dactyl俱乐部。这种新材料可以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)。

模仿螳螂虾的球杆

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,它具有高强度、刚度和断裂韧性,类似于螳螂虾的趾俱乐部的建筑设计。

“这些迷人的虾是自然界最致命的杀人机器之一。相对于它们的小个头,它们在动物王国中拥有最强大的力量。它们通过投掷一对锤状的猛禽附肢来粉碎猎物,在近距离狩猎中,它们的速度和力量比步枪子弹还要快。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,如软体动物。为了得到柔软、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,该俱乐部是一种具有梯度力学性能的多相分层有序纳米复合材料。“球杆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,提高了球杆的整体承受伤害能力。这两个层都有相似的构建块,但相对内容、多态形式和组织不同。主要的构建模块是螺旋状有序的几丁质纳米原纤维,它们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处理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,通过制造成具有周期性微强化方向的种植牙冠,以及类似于人类牙齿的双层结构。随着进一步的研究,这些蛋白质可以被设计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。这项为期两年半的计划由香港电讯管理局和香港电讯管理局资助Jenny和Antti Wihuri基金会青年生物科学家中心(CYSS)项目由教授Merja Penttila

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