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  經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的演化，許多生物結(jié)構(gòu)進(jìn)化出了復(fù)雜而精巧的界面形貌。這些結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)重要的生物功能。然而，它們獨(dú)特形貌之下所蘊(yùn)藏的強(qiáng)韌化與優(yōu)化機(jī)理卻仍是待解之謎。

圖1 生物結(jié)構(gòu)中的橢圓骨縫。（a）啄木鳥(niǎo)喙。（b）犀牛甲蟲(chóng)翅鞘。（c）烏龜甲殼。（d）瓢蟲(chóng)翅鞘。（e）鸚鵡螺甲殼。（f）鐵甲蟲(chóng)翅鞘。

圖2 橢圓型骨縫拉拔過(guò)程的力學(xué)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(shù)、縱橫比和聯(lián)鎖角時(shí)的力—位移關(guān)系和von Mises應(yīng)力分布。

圖3橢圓骨縫的失效模式。（a）失效模式相圖。（b）有限元計(jì)算結(jié)果。（c）實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

圖4 不同橢圓骨縫結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)。（a）—（c）比較了三類(lèi)橢圓骨縫的拉拔力學(xué)響應(yīng)。（d）—（f）比較了它們的剛度、強(qiáng)度和韌性。

圖5 橢圓骨縫的最優(yōu)化形態(tài)。（a）和（b），在不同摩擦系數(shù)下，縱橫比和聯(lián)鎖角對(duì)結(jié)構(gòu)韌性的影響。（c）和（d），在最優(yōu)縱橫比、聯(lián)鎖角附近的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。

  圖5預(yù)測(cè)了橢圓骨縫的最優(yōu)化形態(tài)，給出了最佳的縱橫比和聯(lián)鎖角。有趣的是，理論預(yù)測(cè)的最優(yōu)化形態(tài)與自然界中甲蟲(chóng)翅鞘的真實(shí)形態(tài)非常接近。理論預(yù)測(cè)的優(yōu)化形態(tài)可以使骨縫結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出綜合優(yōu)異的剛度、強(qiáng)度和韌性。這項(xiàng)工作揭示了生物界面中橢圓型骨縫結(jié)構(gòu)的強(qiáng)韌化和優(yōu)化機(jī)理，不僅加深了對(duì)生物材料結(jié)構(gòu)—性質(zhì)內(nèi)在聯(lián)系的理解，還為工程連接件、互鎖結(jié)構(gòu)，以及防護(hù)系統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

  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 interfaces. Acta Biomaterialia, 2024.

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

  下載：Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces