生物體是由材料組成的，力學性能是材料的基本性能指標。不斷提高力學性能使其更好地滿足實際應用需求是天然與人造材料發(fā)展的共同目標，同時也是它們面臨的共性難題。在長期的自然選擇與進化過程中，天然生物材料的組織結(jié)構與力學性能均得到了持續(xù)優(yōu)化，使得生物體實現(xiàn)了對其生存環(huán)境的最佳適應，甚至達到巧奪天工的效果。大自然不僅是天才的材料設計師，而且是人類的良師。從材料學與力學的角度揭示自然界中典型生物材料的組織結(jié)構以及賦予其優(yōu)異性能的關鍵機理，提煉天然與人造材料共性的優(yōu)化設計原則，能夠為高性能人造材料的開發(fā)提供寶貴的啟示。
近期，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室劉增乾項目研究員和張哲峰研究員與美國加州大學伯克利分校、加州大學河濱分校、加州大學圣地亞哥分校、普渡大學等單位開展合作，在前期對多種典型生物材料的組織結(jié)構、力學性能與損傷機制系統(tǒng)研究的基礎上，提煉出了若干天然與人造材料性能優(yōu)化設計的共性原則，主要包括：梯度結(jié)構取向效應、原位結(jié)構再取向效應和多級“縫合”界面效應。他們揭示了以上設計原則的內(nèi)在力學原理，并進一步提出了一系列新的力學理論，為新型高性能仿生材料的設計與研發(fā)提供了理論指導。
梯度結(jié)構取向效應：針對不同生物材料宏觀外形與微觀組織結(jié)構的取向變化，他們首次提出了新型材料組織結(jié)構取向梯度（Gradient Structural Orientation）的概念與設計原則，從材料力學的角度建立了梯度組織結(jié)構取向與剛度、強度、斷裂韌性之間的系列定量關系，例如楊氏模量與取向角度之間具有如下定量關系：
在此基礎上，他們闡明了梯度結(jié)構取向效應實現(xiàn)性能優(yōu)化的力學原理，提煉了改善材料抵抗接觸損傷能力的仿生設計新思路。研究表明：隨著微觀組織結(jié)構取向逐漸偏離所受外力的方向，材料的剛度和強度從表面到內(nèi)部逐漸降低，而斷裂韌性隨著裂紋越來越偏離其容易擴展的I型應力面而逐漸增大，從而達到了表面剛強而內(nèi)部柔韌的效果，有效減輕了接觸應力對材料造成的損傷，如圖1所示。
原位結(jié)構再取向效應：針對天然生物材料的各向異性組織結(jié)構，他們首次提出了生物材料通過原位結(jié)構再取向（Adaptive Structural Reorientation）實現(xiàn)力學性能全面優(yōu)化的策略與設計原則。研究發(fā)現(xiàn)：自然界中的木材、魚鱗、骨骼等不同生物材料的微觀組織結(jié)構在拉伸條件下逐漸偏向外力，而在壓縮條件下逐漸偏離外力。這種結(jié)構再取向效應不僅有利于改善材料的變形能力，而且能夠帶來不同力學性能的全面同步提升。在拉伸條件下，增強相與應力軸之間夾角的減小有利于提高材料的剛度和強度，同時裂紋的擴展路徑逐漸偏離其容易擴展的最大正應力平面，使得材料的斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，增強相所受的軸向分應力隨著取向逐漸偏離外力而降低，并且其所受的橫向束縛作用隨之增強，這不僅有利于提高材料抵抗微觀局部失穩(wěn)與整體結(jié)構失穩(wěn)的力學穩(wěn)定性，而且賦予材料優(yōu)異的劈裂韌性。他們進一步建立了不同力學性能與結(jié)構再取向之間的定量關系，例如，材料的劈裂韌性與壓縮應變之間具有如下定量關系：
因此，生物材料可以利用原位結(jié)構再取向效應全面改善其在不同應力條件下的剛度、強度、力學穩(wěn)定性與斷裂韌性，從而克服這些性能在傳統(tǒng)材料設計中常見的相互矛盾的制約關系，如圖2所示。
多級“縫合”界面效應：針對顱骨、魚鱗、穿山甲鱗片等不同生物材料中廣泛存在的微觀取向不斷變化的鋸齒形多級“縫合”界面結(jié)構（Hierarchical Suture Interface），他們從斷裂力學的角度建立了評判裂紋與界面相互作用方式以及裂紋擴展路徑的基本準則，首次提出多級“縫合”結(jié)構能夠通過促進裂紋穿過界面而對界面起到增韌作用的新觀點，并且揭示了“縫合”結(jié)構的微觀幾何形狀和結(jié)構級數(shù)對界面韌性的影響與作用機理。研究發(fā)現(xiàn)：多級“縫合”結(jié)構能夠促使裂紋與界面之間的夾角偏離其初始入射角度，并且提高裂紋沿界面擴展路徑的復雜崎嶇程度，從而顯著降低驅(qū)使裂紋持續(xù)沿界面偏轉(zhuǎn)的有效應力強度因子。例如：裂紋尖端促使裂紋穿過界面與沿界面偏轉(zhuǎn)的有效應力強度因子之比為：
多級“縫合”結(jié)構使得裂紋更加傾向于穿過界面而不是進入界面擴展，因此對界面起到有效的增韌作用，并且界面的增韌效果會隨著鋸齒的尖銳程度以及結(jié)構級數(shù)的增加而顯著增強，如圖3所示。他們進一步提出了特征臨界應力強度因子比值的概念，該參數(shù)能夠定量反映多級“縫合”結(jié)構對界面的增韌效果以及界面的幾何形狀和結(jié)構級數(shù)的影響，如圖4所示。
上述系列研究成果于近期發(fā)表在Advanced Functional Materials (doi: 10.1002/adfm.201908121)、Advanced Materials 31 (2019) 1901561、Acta Biomaterialia (doi: j.actbio.2019.11.034)、Acta Biomaterialia 86 (2019) 96、Journal of Biomechanics 96 (2019) 109336，以及Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 91 (2019) 278等刊物，并且受邀撰寫特約科普綜述文章發(fā)表于《自然雜志》41 (2019) 313，同時利用上述生物力學原理設計研發(fā)了新型高性能仿生材料，相關成果發(fā)表于Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.201904603)和ACS Applied Nano Materials 2 (2019) 1111。以上工作得到了國家自然科學基金項目的資助（資助號：51871216、51501190、51331007）。
相關論文鏈接：
1、天然生物材料結(jié)構取向設計：Advanced Functional Materials (doi: 10.1002/adfm.201908121)；
2、生物材料韌化機制：Advanced Materials 31 (2019) 1901561、Journal of Biomechanics 96 (2019) 109336、《自然雜志》41 (2019) 313；
3、仿生設計實現(xiàn)增韌：Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.201904603)、ACS Applied Nano Materials 2 (2019) 1111；
4、多級“縫合”界面效應：Acta Biomaterialia (doi: j.actbio.2019.11.034)；
5、原位結(jié)構再取向效應：Acta Biomaterialia 86 (2019) 96；
6、梯度結(jié)構取向效應：Acta Biomaterialia 44 (2016) 31。
圖1：梯度結(jié)構取向效應實現(xiàn)生物材料力學性能從表面到內(nèi)部梯度變化規(guī)律，從而提高材料整體抵抗接觸損傷的能力
圖2：生物材料通過變形過程中的原位結(jié)構再取向效應實現(xiàn)拉伸與壓縮條件下不同力學性能的全面同步提升
圖3：不同生物材料中的鋸齒形多級“縫合”界面結(jié)構及其通過阻礙裂紋沿界面偏轉(zhuǎn)而對界面起到增韌作用
圖4：具有不同鋸齒尖銳程度的多級“縫合”結(jié)構界面的開裂傾向隨結(jié)構級數(shù)的增加而逐漸降低
