大熊猫牙齿的“自修复”功能成为研发新材料的“模版”

　　国宝大熊猫呆萌可爱，慢吞吞的举动看着好象很温顺，但其实它的祖先可是食肉动物，是经过长期进化后才变成为现在的“素食者”。纵观其生，大熊猫99%的食物是竹子，坚固强悍的牙齿让它成为“啃竹界”的高手。

　　牙好，胃口就好。大熊猫的臼齿大小约是人类的7倍，宽阔表面、锋利坚固的牙齿让它可以顺利碾压竹子，使其成为胃囊之物。作为动物天生的进攻防卫武器和咀嚼食物助消化的工具，大熊猫在动物界中堪称牙尖齿利的典型代表，其牙齿构成也成为仿生材料研究者的重点课题。

　　日前，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂实验室刘增乾博士带领研究团队首次发现了大熊猫牙齿能够实现自修复机制，从而为新型仿生材料研发提供借鉴。他们发现，大熊猫牙齿之所以能够实现“自修复”，主要得益于它的牙釉质具有高密度富含有机质的矿物质缝隙和巧妙的组织结构设计。

　　刘增乾博士介绍，大熊猫牙齿的矿物质像树木一样垂直紧密地排列，从而形成牙釉质的’坚固森林’，而有机质则填充在“矿物质树”之间微小的缝隙中，牙釉质的变形、损伤与自动回复，微观上都是通过这种微小的缝隙实现的。

　　他说，熊猫牙釉质界面中的天然有机质，在水合条件下会发生溶胀、进而发生高分子链柔性提高、玻璃化转变温度降低等转变现象，从而实现牙釉质的自修复，而熊猫唾液中的水分子能够对自修复效应起到显著的促进作用。

　　在此基础上，研究团队通过对天然生物材料梯度设计的形式、原则及其起到的作用与机制的研究，首次提出了新型材料组织结构取向梯度的概念与设计原则，这为改善材料力学性能的仿生设计提供了新思路，即通过调整自身的组织结构与所受外力之间的取向关系，实现材料抗拉又抗压，从而提高材料整体的力学性能。

　　研究显示，材料可以利用有限的变形实现其刚度、强度、稳定性与断裂韧性的全面提升，而这些性能本身则往往体现出相互制约的关系。此外，该研究组还阐明了熊猫牙齿的主要种类、形式以及组织结构特征，从材料科学与力学角度揭示出其同步实现进攻与防护效果的性能优化机理，提炼出共性的仿生材料设计原则。

　　据了解，中科院金属研空所科研人员利用这些研究成果已开始着手设计并研制新型仿生材料，并在人牙匹配型仿生复合义齿材料、高强高导电接触材料等方面取得了新进展，有望显著提升材料的性能和使用效果，更好地满足实际应用需求。

图片说明：大熊猫牙釉质微纳米尺度组织结构及其自修复效应与微观机制