Nat. Mater.：骨骼中納米級的復合結構決定它的強度和抗損性能

CZM 7年前 (2016-08-15) 4278瀏覽

一般材料的強度和韌性是此消彼長的關系，強度越高的材料，韌性就會越差，反過來說就是韌性越好的材料它的強度就越差。但是一些生物材料，如珍珠質、牙本質、骨骼等卻能同時擁有高的強度和好的韌性，很多研究表明它們的這些性質與納米尺寸的層次結構有關。

骨骼可以分為皮質骨和松質骨，皮質骨占全部骨重量的80%，而松質骨只占20%。松質骨是多孔的，分布于長骨的兩端、短骨、扁骨及不規則骨的內部。

圖1 松質骨（圖片引自網上）

骨骼在納米尺寸上主要是由膠原蛋白纖維和碳酸化羥基磷灰石（cHA）組成的，通常認為cHA是結晶的，但是最近卻發現無定形磷酸鈣（ACP）的存在，這些礦物質的形成機制還沒有弄清楚。另一方面，為了解釋骨骼高強度和高韌性共存的原因，科學家提出的模型經常是基于膠原蛋白纖維和cHA形成有序結構這一假設，而ACP的發現，使得重新評估這一模型顯得非常有必要。

最近加州理工學院的Ottman A. Tertuliano（通訊作者）和 Julia R. Greer用松質骨進行實驗，證實骨中存在有序相和無序相，而ACP就存在無序相中。他們隨后用有序相和無序相制得直徑為250-3000nm的小圓柱進行壓縮實驗，發現隨著尺寸的降低，小圓柱的強度提高了，而且發生了從韌到脆的轉變，最后他們用提出了新的模型來解釋這些現象。

圖2 不同尺度上松質骨的結構（a）宏觀（b）毫米尺度上的多孔結構（c-e）微觀尺度上的有序相和無序相

圖3 有序相（a，c）及無序相（b，d）的形貌及衍射花樣，可以看出有序相的纖維排列也是有序的，cHA是結晶的，而無序相中纖維相互纏繞，有ACP的存在。

圖4 （a-c）直徑分別為3000、500、250nm的有序相圓柱壓縮前（左）和壓縮后（右）的形態，（d-f）則是相應的無序相的。可以看出斷裂方式由剪切式變為塌方式，說明小圓柱由韌變脆；g，h）是相應的應力-應變曲線，也說明材料由韌變脆；（i-k）直徑為3000納米的圓柱壓縮后不同位置的側面剖視圖，證明裂痕由最初在表面產生。