肌腱如鋼絲繩一樣結(jié)實(shí)獲得解釋

據(jù)Ping H 2022年4月8日[Science，2022，376（6589）：188-192.]報道，德國馬克斯-普朗克膠體與界面研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了膠原蛋白（collagen）的新特性：礦物在膠原纖維（collagen fiber）中的嵌入期間，會產(chǎn)生一種比肌肉強(qiáng)度強(qiáng)數(shù)百倍的收縮張力。

研究人員發(fā)現(xiàn)，將不同的礦物人為地?fù)饺肽z原纖維，會導(dǎo)致這些膠原纖維縮短，其應(yīng)力可達(dá)9.806 65 MPa（每平方厘米100 kg）。這相當(dāng)于肌肉強(qiáng)度的100倍左右。在礦化過程中，在柏林阿德勒斯霍夫的BESSYⅡ同步加速器上用X射線衍射法觀察到膠原蛋白結(jié)構(gòu)的相關(guān)變化。膠原纖維的這種收縮顯然是在礦物摻入膠原蛋白的過程中發(fā)生的，使礦物處于巨大的壓力之下，從而增加了復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度。

作為形成纖維的結(jié)構(gòu)蛋白，膠原蛋白存在于肌腱、皮膚和骨骼及其他地方。骨骼的強(qiáng)度是基于柔軟的有機(jī)膠原纖維和嵌入其中的堅(jiān)硬的結(jié)晶礦物顆粒的結(jié)構(gòu)相互作用，因此是一種雜化材料（hybrid material）。膠原蛋白給了礦物顆粒一個積極的預(yù)應(yīng)力（pre-stress）。

該研究不僅表明膠原蛋白的這種特殊性質(zhì)有助于骨骼等礦化組織的強(qiáng)度，而且還概述了一個可以應(yīng)用于具有出色機(jī)械性能的工程混合材料的概念。研究人員解釋道，這種有機(jī)纖維組織礦化的普遍機(jī)制可能適用于技術(shù)上的雜化材料，例如在那里實(shí)現(xiàn)高斷裂強(qiáng)度。土木工程師在預(yù)應(yīng)力混凝土中借助高強(qiáng)度鋼使用類似的機(jī)制，從而產(chǎn)生抗裂結(jié)構(gòu)構(gòu)件。從醫(yī)學(xué)或生物學(xué)的角度來看，了解在骨骼的礦化過程中發(fā)生了什么也很有趣。許多骨骼疾病都與骨骼中礦物含量的變化有關(guān)，從而改變了特性。與此同時，這些研究發(fā)現(xiàn)有助于更好地理解組織礦化過程中的生物過程及礦化程度對宏觀材料特性的影響。