材料学:生物蛋白材料的材料亚博网站下载科学-从纳米到宏观亚博老虎机网登录

生物学精致地产生分层结构，在纳米鳞片上发起的分层结构，在宏观或生理多功能材料中表现出来提供结构支持，力产生，催化性质或能量转换亚博网站下载¹这在毛发、皮肤、骨骼、蜘蛛丝或细胞等生物材料中都有体现，它们在提供生物系统的关键功能方面发挥着重要作用亚博网站下载²．

我们的研究重点是利用计算材料科学的方法研究生物材料的变形和失效机制。亚博网站下载亚博老虎机网登录我们的目标是阐明自然的设计原则，以促进形成具有特殊材料性能的材料亚博网站下载^1，3尽管通常是较低的积木^4，5．

图1．三种生物蛋白材料(A，中间丝，B，胶原组织，C，淀粉样蛋白)，揭示亚博网站下载了它们的层次结构。我们的研究重点介绍了多尺度材料模型的开发，专注于变形和失败时的机械行为（从Ref.＃3所拍摄的数字）。

这些努力是被称为材料学的更广泛的研究领域的一部分。材料学被定义为在从纳米到宏观的多个尺度上，通过使用系统的实验、理论或计算方法，检查过程、结构和性能之间的基本联系，从而研究天然和合成材料的材料性能亚博网站下载^6,7.．

为了提供材料行为的自下而上的描述，我们的本科生跨学科团队，研究生和博士后的基于实验验证的原始的亚博网站下载多尺度模拟方法，考虑了材料科学和建筑的结构流程范例亚博老虎机网登录从原子水平到整体结构的蛋白质。这部小型观点将化学和遗传学链接到导致功能材料特性，并为我们提供了一个强大的基础，以便对生物材料行为提出基本问题。亚博网站下载

此外，多尺度、层次模型的发展，以解释生物材料的变形和失效机制，提供了关键的见解，生物材料是如何制造和如何获得其独特的特性。亚博网站下载这种从失败中学习的方法已经被证明对工程材料很有用，它在生物材料上的应用有望改变我们对自然界中发展的关键材料设计原则的理解亚博网站下载^8.．

在下面的部分中，我们将回顾两个案例研究，它们演示了材料学的应用。

分层结构至关重要，可以在单个材料中提供多个不同的属性

我们的工作有助于解释生物材料的一些最显着的属性，特别是它们尽管在可用积木质量的严重限制以及适应不同环境条件的能力的严重局限性，但仍能提供多种功能的能力（参见审查，请参阅参考亚博网站下载。＃3）。

例如，强度、鲁棒性和适应性是对生物材料和结构至关重要的属性，并且是为生命系统提供功能属性的关键。亚博网站下载强度定义为材料在断裂之前所能承受的最大力(或压力)。坚固性被定义为材料在其结构组成中容忍缺陷的能力，同时保持其提供功能的能力。

适应性是指材料应对环境条件变化的能力。这些特性对于生物材料(如皮肤、骨骼、蜘蛛丝或细胞)来说至关重要，这亚博网站下载些材料要么提供自身的结构支撑(如由骨骼形成的骨骼)，或者需要承受正常生理条件下的机械变形(如与血管有关的细胞和组织暴露在血液压力下)。

在工程中，强度和健壮性是不同的属性(见图2)，创建结合这两种特性的材料仍然具有挑战性。亚博网站下载例如，玻璃或陶瓷是典型的非常坚固的材料。亚博网站下载然而，它们不是很坚固:即使玻璃上有一个小裂缝，或试图使玻璃显著变形，都将导致灾难性的失败。

图2．鲁棒强度域示意图，比较工程材料和生物材料。亚博网站下载这些正方形代表了不同的层次结构，是根据16000多条α -螺旋蛋白丝设计的。分析显示，大多数随机结构(98.13%)落在所谓的香蕉曲线上，而较少的，专门设计的结构(1.98%)落在反香蕉曲线上(图来自Ref. #3)。

相比之下，像铜这样的金属非常坚固;然而，它们通常不能抵抗大的力量。然而，这些材料允许大的亚博网站下载变形，甚至在材料中存在的裂缝也不会导致突然崩溃。然而，许多生物材料(如细胞蛋白丝、血管、胶亚博网站下载原组织，如肌腱、蜘蛛丝、骨头、肌腱、皮肤)能够非常有效地提供强度和健壮性两种特性，而且还结合了适应环境变化的能力^1，3．

理解这些显著特性的关键是生物材料的特殊结构组成，由少数不同的元素(如α -螺旋或β -sheet蛋白质域)组成，但这些元素在从纳米到宏观的多个材料层次上的结构安排具有很大的多样性亚博网站下载^1，3．大多数纤维、组织、器官和有机体在自然界发现的显示高度层次和组织的结构,特性被发现在所有尺度,从蛋白质分子(≈50),蛋白质组件(≈1到10海里)、纤维和纤维(≈10到100µm),细胞(≈50µm),并组织和器官(≈1000年代和更多µm)。

大多数早期研究已经专注于单个鳞片或治疗组织或细胞微环境的研究，作为不均相结构的连续介质（例如，研究材料刚度的分离效果或单独对细胞行为的分离效果的研究）。然而，生物材料力学的原因和效果比特定规模的奇异输入更复杂，因此，检查一系列材料鳞片和层次结构如何为某些生物学功能和功能障碍产生贡献，这是一个关键方面在生理和病理环境中推动我们对生物学中材料作用的理解。亚博网站下载具体而言，天然存在的生物蛋白质材料的起源能够统一不同的机械性能，例如强度，鲁棒性和适应性，对生物和工程科学具有重要兴趣，并引起了重大关注。亚博网站下载亚博老虎机网登录

通过多尺度计算模型的发展，在一个单一模型中提供了多个材料层次的表示，我们阐明了多尺度力学在定义材料失效时的最终响应中所起的关键作用。以及自然的结构设计原则如何定义生物材料的分层组成亚博网站下载^9,10.．这一过程可能是进化驱动的，使生物材料能够结合不同的特性，如强度、鲁棒性和适应性，并可以解释在不同物种的生物材料中观察到的普遍结亚博网站下载构特征的存在(图2)。^11.．

成骨不全，脆性骨疾病

还可以应用制品，以研究疾病条件下生物材料的灾难性分解。亚博网站下载成骨不全症是胶原蛋白的遗传疾病，其特征在于机械弱化肌腱，脆弱的骨骼，骨骼畸形以及严重案例前死亡^12.．我们的工作已经证明了这一点成骨不全症突变严重损害了多个尺度的胶原组织的机械性能，从单个分子到胶原蛋白原纤维^13,14．

导致最严重的突变成骨不全症表型与最强的效果相关，导致分子间粘附弱，分子间距增加，刚度降低，胶原纤维的衰竭强度降低，抑制胶原蛋白为结缔组织提供强度和韧性的能力。我们的工作表明，这是胶原型原纤维内部应力分布的变化，并且是由于形成纳米裂纹，其中角落的应力浓度显影（图3）。

图3．成骨不全对胶原纤维内部应力分布的影响(左)，并导致应力应变响应的变化(右)14.．突变部位纳米裂纹的形成导致局部应力集中(用红色标记)，在中等载荷下引起分子间剪切，从而降低了纤维的整体强度。

我们的发现提供了对该疾病多尺度机制的见解，并导致了特征性的解释成骨不全症组织特征，如降低机械强度，较低的交联密度和改变矿物血小板的分布方式。我们的研究结果首次解释了纳米尺度上的单点突变如何在更大尺度上导致灾难性的组织衰竭。

理解这种巨大变化的材料行为的关键是，失败必须被理解为多尺度现象，其中多个尺度的机制相互作用定义了最终的材料响应。常规模型的失效和疾病的型号仅考虑一种材料结构，不要捕获完整的相关结构和机制，并且仍然存在限制它们能够描述与疾病相关的物质击穿过程中的干预的行为。对缺陷和突变的背景下对失败的理解可能从根本上改变疾病的建模和可能对待。

未来研究展望

产物是一种强大的工具，可以在多种尺度和各种功能上下文中加强对生物学中材料的理解。亚博网站下载我们研究的长期目标是开发一种新的工程范式，包括从分子水平开始的结构和材料的分析和设计，以便通过利用材料来创造模仿和超过生物学的新材料亚博网站下载在生物材料中发现的概念。亚博网站下载

我们设想，我们的工作可以导致开发一套可以应用的新工具，以及合成生物和自组装方法，选择，设计和生产新的材料，类似于今天使用的方法亚博网站下载在计算机辅助设计的建筑物，汽车和机器。多功能和可变材料的可用性降低了使用不同材料以实现不同性质的必要性，因此可以提供重量和成本的显着节省。亚博网站下载The utilization of abundant natural building blocks such as organic (e.g. peptides or proteins) or inorganic (e.g. minerals) constituents, combined with novel synthesis techniques based on self-assembly, could lead to new lightweight materials for structural applications in cars, airplanes, and buildings that could reduce the overall energy consumption and ecological footprint of materials.

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