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北航趙子龍教授、清華高華健院士團隊 Acta Biomater.:揭示生物互鎖界面的強韌化與優化機理
2025-01-13  來源:高分子科技

  經過長期的演化,許多生物結構進化出了復雜而精巧的界面形貌。這些結構具有優異的力學性質,能夠實現重要的生物功能。然而,它們獨特形貌之下所蘊藏的強韌化與優化機理卻仍是待解之謎。


  近日,北京航空航天大學趙子龍教授與清華大學高華健院士針對生物互鎖界面聯合開展研究,取得了重要進展。他們將甲蟲翅鞘的橢圓型骨縫結構作為研究對象,建立了可精確預測結構拉拔與失效行為的力學模型,揭示了此類結構的強韌化與優化機理。該成果以《Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces》為題發表在生物材料國際頂級期刊《Acta Biomaterialia》上。


1 生物結構中的橢圓骨縫。(a)啄木鳥喙。(b)犀牛甲蟲翅鞘。(c)烏龜甲殼。(d)瓢蟲翅鞘。(e)鸚鵡螺甲殼。(f)鐵甲蟲翅鞘。


  如圖1所示,類橢圓型骨縫廣泛存在于各類生物結構中。橢圓骨縫與其他類型的骨縫有較大差異。例如,橢圓骨縫在垂直于界面的方向上可以具有很強的互鎖效應,這是正弦型等骨縫所不具備的特性。具有橢圓骨縫的鐵甲蟲可以承受高達自身重力39000倍的壓力。然而,這其中的力學機理、橢圓型骨縫的力學優勢等尚不清晰,有待進一步深入研究。


2 橢圓型骨縫拉拔過程的力學理論分析。(a)階段I。(b)階段II。(c)—(e)分別為考慮不同摩擦系數、縱橫比和聯鎖角時的力—位移關系和von Mises應力分布。


  如圖2a2b所示,該研究基于連續介質力學和接觸力學,建立了橢圓骨縫的拉拔力學理論模型。如圖2c—2e所示,該模型可以精確預測出不同骨縫結構的拉拔和失效行為;理論預測的結果得到了有限元模擬和實驗的驗證。研究者們探討了骨縫的縱橫比、聯鎖角和界面摩擦等因素對結構承載能力、變形能力和失效機理的影響,揭示了其結構—性質之間的內在聯系。


3橢圓骨縫的失效模式。(a)失效模式相圖。(b)有限元計算結果。(c)實驗測試結果。


  圖3對比分析了橢圓骨縫的失效模式。與圓骨縫相比,橢圓骨縫的失效機理更為復雜。當互鎖程度較高時,橢圓骨縫更容易發生頸部失效(neck failure);當互鎖程度較低時,接觸失效(contact failure)則更為常見。


4 不同橢圓骨縫結構的力學性質。(ac)比較了三類橢圓骨縫的拉拔力學響應。(df)比較了它們的剛度、強度和韌性。


  圖4比較了長橢圓、圓和扁橢圓骨縫的拉拔力學響應,并展示了這三類骨縫結構在剛度、強度和韌性等方面的差異。結果表明,扁橢圓骨縫在剛度、強度和韌性等方面優于其他兩類骨縫;長橢圓骨縫在大聯鎖角下具有更好的變形能力。上述結果有助于理解為什么并非所有甲蟲的翅鞘都進化為扁橢圓骨縫——長橢圓骨縫變形更加靈活,使甲蟲能夠更加容易地打開它們的翅鞘,進而實現飛行;對于不具備飛行能力的鐵甲蟲,翅鞘進化出扁橢圓骨縫,可以有效地提高結構的承載能力。


5 橢圓骨縫的最優化形態。(a)和(b),在不同摩擦系數下,縱橫比和聯鎖角對結構韌性的影響。(c)和(d在最優縱橫比、聯鎖角附近的結構剛度和強度。


  圖5預測了橢圓骨縫的最優化形態,給出了最佳的縱橫比和聯鎖角。有趣的是,理論預測的最優化形態與自然界中甲蟲翅鞘的真實形態非常接近。理論預測的優化形態可以使骨縫結構表現出綜合優異的剛度、強度和韌性。這項工作揭示了生物界面中橢圓型骨縫結構的強韌化和優化機理,不僅加深了對生物材料結構—性質內在聯系的理解,還為工程連接件、互鎖結構,以及防護系統的仿生設計提供了理論基礎。


  論文第一作者為北京航空航天大學邢運博士(新加坡南洋理工大學博士后,現為北京科技大學副研究員)楊璨碩士,通訊作者為北京航空航天大學趙子龍教授和清華大學高華健院士。趙子龍是中國國家海外高層次青年人才、澳大利亞國家優秀青年人才、北航青年拔尖人才。高華健是國際力學、材料和工程科學領域頂級專家,為中國科學院、美國科學院、美國工程院、德國科學院等七院院士。論文合作者包括北京航空航天大學楊嘉陵教授,以及清華大學馮西橋教授孫書逸博士。該研究得到了國家自然科學基金(12272034、1220203711921002)、中國博士后科學基金(2021M700340)、中央高校基本科研業務費專項資金(501LKQB2022105038)和中國博士后國際交流計劃派出項目(PC2022009)的資助。


  論文信息:

  Yun Xing#, Can Yang#, Shu-Yi Sun, Zi-Long Zhao*, Xi-Qiao Feng, Jialing Yang, Huajian Gao*, Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfacesActa Biomaterialia2024.

  https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.12.013


  下載:Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces

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(責任編輯:xu)
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