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  盡管生物可利用的元素有限，但生物體仍能最大限度地利用有限資源來制造性能卓越的生物材料。然而，對于微量元素及其形成的結(jié)構(gòu)如何具體影響宏觀性能，人們知之甚少。

  近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授、茅瓅波教授團(tuán)隊(duì)通過飲食調(diào)控竹鼠的鐵攝入量，成功構(gòu)建了鐵含量差異化的牙釉質(zhì)模型，并基于此系統(tǒng)研究了牙釉質(zhì)中微量鐵元素對跨尺度力學(xué)性能的影響，提出了納米梯度強(qiáng)韌化機(jī)制。成熟竹鼠牙齒在最外側(cè)區(qū)域有20-30 μm厚的紅棕色薄層（PL；著色區(qū)），其顏色變化可歸因于鐵元素的摻雜。納米尺度上，鐵元素在羥基磷灰石納米線晶間區(qū)域（ICD）富集，形成徑向納米級含量梯度（圖1）。

圖1. 竹鼠門牙的結(jié)構(gòu)（其中PL為富鐵層）

  作者通過納米壓痕和微柱壓縮實(shí)驗(yàn)對比分析了富鐵區(qū)（PLexp）與對照區(qū)（PLcon）的力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)PLexp區(qū)域不僅硬度更高，且在劃痕試驗(yàn)中表現(xiàn)出更小的磨損和更強(qiáng)的塑性變形抵抗力。進(jìn)一步的壓縮測試表明，PLexp具有更高的彈性模量和斷裂功，斷裂過程中能有效抑制裂紋擴(kuò)展，顯著優(yōu)于PLcon。值得注意的是，盡管PLexp區(qū)域的鐵含量僅比PLcon略高1.59 mol%，其能量耗散能力卻提升了約1.6倍。

  為闡明鐵納米梯度的作用原理，作者使用原子力顯微鏡觀察門牙著色區(qū)，非晶態(tài)ICD區(qū)的彈性模量比晶體納米線更高，而且鐵含量越高，彈性模量也越大，作者稱這種結(jié)構(gòu)特征為“徑向梯度柱”。相較于均勻結(jié)構(gòu)，“徑向梯度柱”在彎曲剛度上有明顯提升。有限元模擬的結(jié)果也證實(shí)，這種梯度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠承受更大的應(yīng)力，還能有效分散能量。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，ICD區(qū)的鐵元素增強(qiáng)了納米線之間的界面結(jié)合力。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算也表明，鐵元素和羥基磷灰石之間存在明顯的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，這對提升界面強(qiáng)度有幫助。由此可見，鐵元素在納米線-ICD結(jié)構(gòu)單元中發(fā)揮著雙重功效。其一，通過強(qiáng)化界面來阻止裂紋擴(kuò)展；其二，利用模量梯度增加整體的抗彎剛度（圖2）。這兩種在納米尺度上的增強(qiáng)效果，會(huì)通過牙釉質(zhì)有序的微米級結(jié)構(gòu)傳遞到宏觀層面，最終增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的能量耗散能力，從而保護(hù)內(nèi)部的牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)免受損傷或失效。正因如此，門牙即便處于像砂礫摩擦這樣惡劣的高強(qiáng)度環(huán)境中，依然能具有良好的功能性。

圖2.納米線-ICD結(jié)構(gòu)模型

  這項(xiàng)研究結(jié)果表明，多級結(jié)構(gòu)中微量鐵元素形成的納米梯度結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)提高牙釉質(zhì)的強(qiáng)度和韌性，為開發(fā)先進(jìn)的多級結(jié)構(gòu)材料提供了一種新的設(shè)計(jì)原理。此外，鑒于牙齒斷裂和齲齒會(huì)帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)，通過飲食策略將離子摻雜入人類牙釉質(zhì)表層中，或許有望增強(qiáng)人類牙釉質(zhì)的強(qiáng)度和耐腐蝕性。相關(guān)成果以“Iron-rich diet enhances the damage resistance of bamboo rat tooth enamel”為題發(fā)表于《Matter》。論文第一作者為孟玉峰博士（現(xiàn)為魏茨曼科學(xué)研究所博士后）。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102250