天然生物与仿生梯度材料研究获进展

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自然界中的生物体在长期的自然选择与进化过程中，其组成材料的组织结构与性能得到了持续优化与提高，从而利用简单的矿物与有机质等原材料很好地满足了复杂的力学与功能需求，使得生物体达到了对其生存环境的最佳适应。大自然是人类的良师。天然生物材料的优异特性能够为人造材料的优化设计，特别是高性能仿生材料的发展提供有益的启示。其中，功能梯度设计是生物材料普遍采用的基本性能优化策略之一。揭示自然界中的梯度设计准则与相应的性能优化机理对于指导高性能仿生梯度材料设计并促进其应用具有重要意义。

近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室材料疲劳与断裂研究部张哲峰课题组的刘增乾与加州大学伯克利分校教授Robert O. Ritchie及加州大学圣地亚哥分校教授Marc A. Meyers合作，揭示了生物组织与材料中广泛存在的梯度结构取向特征，并提炼出了一种提高材料接触损伤抗力的仿生设计新思路，即通过控制微观组织结构取向获得梯度变化的力学性能，实现局域刚度、强度与韧性的优化分布与相互匹配，从而提高整体的力学性能，如图1所示。通过力学分析与数值模拟，他们建立了结构取向与各力学性能之间的定量关系，阐明了材料损伤抗力提高的机理，并指出了相应仿生梯度结构的设计方法。

在此基础上，他们进一步总结了自然界中常见的基本功能梯度材料设计形式与原则，并以典型的生物材料为例，按照组成与成分、组织结构（包括结构单元的排列方式、空间分布、尺度和取向）、界面以及不同类型梯度在多级结构尺度的结合与匹配的思路对生物材料中的梯度进行了具体表述与分析，归纳了梯度设计在材料性能优化中所起的作用和相应机制，如图2所示。同时，他们总结了近年来仿生梯度材料设计与应用方面取得的最新进展，特别是对3D打印等新型材料制备技术在仿生梯度材料领域的应用进行了讨论，并指出了未来天然生物与仿生梯度材料研究亟待解决的关键科学问题以及面临的挑战。

该研究得到金属所“引进优秀学者”和美国空军科学研究办公室Multidisciplinary University Research Initiative项目资助。相关成果于近期发表于Acta Biomaterialia 44 (2016) 31-40和Progress in Materials Science (doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.04.013)。