生物材料为类似的下一代高性能材料的设计提供了独特的灵感来源。特别是，耐损伤生物结构由分层排列成多相复合材料的硬和软成分组成，其特征尺寸从纳米到宏观长度尺度不等。这些复杂的多尺度结构赋予天然生物复合材料强度、刚度和韧性的组合，这对其生理功能至关重要。螳螂虾就是一个例子，它的一对锤状棍棒在近距离狩猎或战斗中提供重复的高能量打击（图 1）。球杆的物理化学和微观力学是赋予球杆损伤容限的关键微观结构因素。球杆是一种多相复合材料，将坚硬、坚硬且抗冲击的外部区域与较软的内部区域相结合，提供额外的冲击能量消散。内部区域是一个 3 组分结构，包括：i) 纤维状几丁质组织成高度膨胀的螺旋状图案，ii) 富含蛋白质的基质，介导球杆的矿化，以及 iii) 无定形磷酸钙和碳酸钙(图 1 )。在外部影响区域，这三个主要成分也存在，但相对含量、组织和多态形式不同。

图1. 生物学启发的多相纳米复合材料，具有分级结构，模仿螳螂虾指尖俱乐部的关键分子和结构特征。

芬兰技术研究中心有限公司报告了一类新的受生物启发的多相纳米复合材料，其分级结构是模仿螳螂虾指尖的关键特征（图 1）。作者成功制造了一种由类似构件组成的生物复合材料——即纤维素作为几丁质的替代品、具有纤维素结合模块 (CBM) 和调节生物矿化的 CMP-1 酸性域的人工蛋白质，以及坚固且耐损伤的磷灰石。 此外，作者将这种复合材料加工成复杂的形状，将其制造成具有周期性微强化方向图案的牙种植冠，以及类似于人类牙齿的双层结构（图 1）。该复合材料由具有长程螺旋组织的纤维素纳米晶体 (CNC) 与两种类型的基因工程蛋白质基质混合组成，这些蛋白质调节与 CNCs 的结合和增强磷灰石晶体的原位生长。一种含有 CBM 的蛋白质被合理设计为通过非共价相互作用增加其与手性向列型 CNC 网络的界面强度，并在空间上位于牙冠的内部区域。第二种蛋白质是用富含酸性的 CMP-1 设计的，目的是通过介导磷灰石晶体的成核和生长来硬化、加强和硬化定向 CNC 的表面。结果证明通过合理工程和蛋白质组分相分离可调节多个长度尺度的受控自组装。

相关论文以题为Bioinspired Functionally Graded Composite Assembled Using Cellulose Nanocrystals and Genetically Engineered Proteins with Controlled Biomineralization发表在《Advanced Materials》上。通讯作者是芬兰技术研究中心有限公司Pezhman Mohammadi教授。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202102658

封面图源自于图虫创意