图1 胶原内材料合成产生兆帕级收缩应力

图2 预应力形成机制

在国家自然科学基金项目（批准号：51832003）等的资助下，武汉理工大学傅正义院士团队与合作者在材料过程仿生制备研究方面取得进展。研究成果以“胶原纤维内矿化形成兆帕级预应力（Mineralization Generates Megapascal Contractile Stresses in Collagen Fibrils）”为题，于2022年4月8日发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2664。《科学》杂志同期配发了英国爱丁堡大学Fabio Nudelman教授题为“矿化胶原纤维强度是如何提升的（Enhancing Strength in Mineralized Collagen）”的观点评述文章。

自然生物物质的制造过程是数十亿年进化和自然选择的结果，可以在室温完成结构形成过程，得到独特的微结构和优异的性能（例如：贝壳、牙齿、骨头等）。该研究团队通过学习自然生物物质精妙的生物制造过程，提出了一个新的研究方向“生物过程启示的制备技术，也称为材料过程仿生制备技术（Bioprocessing-inspired fabrication）”，以发展材料的制备新技术。其主要思想和方法是从生物制造过程或者生物制造过程—生物结构的关系中得到启示和灵感，发展材料的合成与制备新技术。

天然骨骼形成是一个典型的生物制造过程。矿化胶原纤维是骨骼的基本构造单元，羟基磷灰石在胶原纤维内部取向合成，形成特殊结构使得骨骼具有优异的力学与功能特性。受骨骼结构形成过程的启发，该研究团队设计了胶原纤维内限域合成与原位研究实验系统。该系统以具有胶原纤维连续定向排列的肌腱组织为基础，实现了碳酸锶晶体在胶原纤维内部的合成。首次发现和证实合成产物形成兆帕级的收缩应力，制备出预应力复合微管（图1），揭示了碳酸锶晶体在胶原纤维限域空间内的结构形成动力学过程和预应力形成的机制（图2）。该方法具有普适性，改变矿化溶液的化学组成和其他条件，能够在胶原内部合成不同无机材料，且均会产生兆帕级收缩应力。

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