記者7月1日從中國科大獲悉，中國科學技術大學俞書宏院士團隊通過控制喂養銀星竹鼠的食物中的鐵元素(Fe)含量，使竹鼠長出具有不同Fe含量的門齒，并系統研究了牙釉質中Fe的梯度分布特征和結合形式對跨尺度力學性能的影響。研究發現，竹鼠牙釉質優異性能源于鐵化合物在羥基磷灰石納米線周圍晶間域中的聚集，并形成的徑向納米尺度模量梯度，這一特征顯著提升了納米線抗彎能力和界面強度。相關成果在線發表于《物質》。
為探究竹鼠門齒卓越的機械性能與Fe含量的關聯，研究人員設置了兩組不同鐵含量的門齒進行比較。相比于傳統使用螯合劑的方法，研究人員采用了喂養法來避免化學處理對釉質結構破壞。最終，實驗組獲得的著色層Fe含量是對照組的4.3倍。該方法成功建立了比較色素沉積影響的理想模型。
竹鼠的門牙在其日常覓食過程中頻繁接觸硬質食物和土壤，展現出優異的耐磨性能。通過力學測試分析比較了富含Fe的著色層與對照層在硬度、磨損響應及微尺度抗裂性能方面的差異性。結果表明，色素層的彈性模量、屈服強度和抗壓強度均高于對照層，著色層中的主裂紋被有效抑制，并可觀察到裂紋橋接現象，表現出更強的耐磨性和抗損傷性能。
為進一步探究Fe納米梯度的作用機制，研究發現，著色層門牙中的羥基磷灰石納米線周圍的非晶態晶間域的彈性模量高于晶態納米線，且彈性模量與Fe含量呈正相關，這一結構可被視作“徑向梯度柱”。相比均勻結構，徑向梯度柱的彎曲剛度有效提升。有限元模擬發現，這種梯度增強結構能承受更高應力并有效分散能量。研究還發現，Fe在門牙結構中的重新分布強化了納米線間的界面結合，Fe與羥基磷灰石之間存在明顯電荷轉移，有助于增強界面強度。
因此，Fe的引入在羥基磷灰石納米線周圍的晶間域結構單元中起到“雙重作用”：一是通過界面強化抑制裂紋擴展，二是通過模量梯度提升整體抗彎剛度。這兩種納米尺度的增強效應，通過牙釉質有序的微米尺度結構傳遞至宏觀，這使得門牙在面對如砂礫等高強度摩擦環境時仍能保持完好，有效保護深層組織，避免災難性破壞。
竹鼠能夠精細地利用Fe的分布來改善其門牙的機械性能。Fe的引入還能增強門牙表面對酸性環境的抵抗力，從而進一步提高牙釉質的耐久性。這一發現對設計和開發仿生抗磨材料具有重要意義。此外，如果能通過食物供給策略將適當的離子聚集引入到人牙釉質的納米晶間結構單元中，也將有效改善人牙釉質的性能，為治療牙齒隱裂和齲齒等牙齒健康的常見威脅提供可能。(記者 汪喬)
責任編輯：陸迪
