你的身體中,有一套連科學家都難以複製的高端材料!

科學人2018-06-13 13:47:56

說到複合,我們第一時間想到的可能是航空航天材料,比如火箭、神舟飛船上用的高性能材料。其實,複合材料就在我們的身邊,甚至在我們的身體裡——骨骼就是一種複合材料。


堅實的骨骼是擺出各種奇怪姿勢的物質基礎。圖片來源:hellorf


複合材料是由兩種或兩種以上的材料經過複合工藝而製備的多相材料,各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應。這種協同效應使複合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各種不同的要求。


骨骼支撐著大多數哺乳動物的身體結構,有了骨骼,我們能夠承受很大的外力,可以擡起很重的東西;我們的心肺等器官得到了保護,肌肉得到了支撐。骨骼還能夠再生,即使發生斷裂或破損,也可以吸收周圍的鈣離子轉化成新的骨骼。


我們人體裡有206塊骨頭,不同部位的骨頭的硬度、彈性以及其他功能都略有不同,以適應不同的需要。骨骼是怎麼做到這一點的呢?這要從它的內部結構說起。


骨頭的成分中,大約百分之七十是礦物質,百分之三十是有機物,這些有機物包括了骨膠原蛋白、糖蛋白、唾液酸蛋白,還有一些水分。這些組分在骨骼中並不是簡單的堆積在一起,他們還具有等級分明的結構。

骨骼的基本組成部分包括礦物質和其他物質。圖片由作者製作

 

首先,膠原蛋白分子像編麻花辮一樣,擰成了一根三股螺旋的納米纖維。這根纖維很有彈性,表面還有很多能促進骨頭生長的物質,骨骼就是從這裡生長起來的。


接著,羥基磷灰石的小晶體在膠原蛋白表面生長。這就是骨頭中佔據70%的礦物質的主要成分,它的化學式是Ca10(PO4)6(OH)2。羥基磷灰石的晶體是我們知道的最小的生物晶體,它是一個小薄片,30-50 nm長,20-25 nm寬,厚度1.5-4 nm。(1納米大概是一根頭髮絲的八萬分之一。)礦物質的小圓盤沿著纖維的長軸方向排列,平行地堆積成一串,這就是礦化了的膠原蛋白纖維。



骨骼的多層級結構。圖片來源:Nature;圖片由作者漢化


礦化的膠原纖維強度已經比之前大大增強了,它們像稻草一樣,在一起排列成一捆。這就好比“一根筷子易折斷,一把筷子折不斷”,一大束纖維在一起強度已經很高了。


這些纖維束再按照特定的模式排列。就組成了圓柱形的“骨原”。顧名思義,它是骨頭的基本單位。骨原呈圓柱形,中間有小孔,這些孔扮演著重要的作用,它們充當神經、血液、細胞的通道。


作為一塊骨頭,光有很高的強度,結構上卻是“鐵板一塊”是不合格的,骨頭上還要有很多孔隙,能夠讓細胞附著,讓神經生長,把營養物質輸送出去。於是,骨頭想出了一個辦法,它可以同時具有兩種結構。鬆質骨的總體積中有75-95%是孔隙,就像海綿一樣,雖然強度不高,但是孔隙為血管和骨髓提供了空間;皮質骨的孔比較少,只有5-10%,密度很高,這部分輸送物質沒那麼多,但是強度很高,起到了支撐的作用。人造的骨骼,需要用皮質骨的強度作為標準,這樣才能在強度上和人的骨骼相似。


皮質骨與鬆質骨。圖片來源:Nature;圖片由作者漢化


正是不同功能的組分,以高度有序的方式組織在一起各司其職,骨骼才能撐起我們肌肉、保護我們的器官、讓我們能跑能跳。但這樣複雜的結構,讓材料學家們很是頭疼——人工合成的材料中,目前還沒有能夠完全代替骨骼的,強度夠用的材料往往有點脆、有彈性的材料可能又不夠耐用;力學強度都達到要求了,又可能無法完全和人體相容,有時候會發生排異反應。目前最先進的醫用人造關節,也只有20年左右的壽命。


我們可以從大自然中學習的東西還有很多。骨骼結構給材料學家提供了很多靈感,近年來出現了很多新的材料,它們的結構都模仿了自然界中的骨骼結構,目前這些材料可以用在人造關節,義肢、甚至機器人的手臂等等領域。


觀察你的周圍,還有哪些物質是複合材料呢?它的每個組成部分又承擔了什麼樣的功能呢?讓你吃不下飯的智齒,海邊閃閃發亮的貝殼,出淤泥而不染的荷葉……其實複合材料離我們並不遙遠,它們組成了我們,也組成了這個繽紛的世界。



圖片來源:hellorf, Julie Marsh/Unsplash


作者:巴利斯坦

編輯:張帥琰



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