中国科大揭示富铁饲料显著增强竹鼠牙釉质抗损伤能力的机理
近年来仿生材料设计的概念受到科学界的广泛关注，多种仿生策略被应用于人工结构材料的合成与制备，实现了材料多方面的性能突破。但是，这些仿生结构材料的性能提升远远未达预期效果。现有的仿生策略单一、缺乏整体性结构设计，这就促使人们重新思考生物体是如何实现生物材料结构与性能的耦合。
尽管可利用的合成条件、化学元素有限，生物体仍能充分利用稀缺的资源，构建出性能卓越的生物结构材料。为了进一步研究微量元素对微观结构和生物结构材料性能的影响，中国科学技术大学俞书宏院士团队通过控制喂养银星竹鼠（Rhizomys pruinosus）食物中的铁含量，使竹鼠长出具有不同铁含量的门齿，并系统研究了牙釉质中铁元素对跨尺度力学性能的影响。
研究结果表明，具有高的铁含量的竹鼠牙釉质，同时展现出更高的硬度、耐磨性和抗损伤能力。这一策略为先进结构材料的设计提供了崭新的思路。相关成果以“Iron-rich Diet Enhances the Damage Resistance of Bamboo Rat Tooth Enamel”为题在线发表于国际知名期刊《Matter》上。
研究人员发现，这些优异性能源于铁化合物在羟基磷灰石纳米线周围晶间域中的聚集，从而在纳米线周围的晶间域结构单元中形成径向的纳米尺度模量梯度，显著提升其抗弯能力和界面强度（图1）。通过调控成分，并结合多级结构的优势，可以实现强度与韧性的协同提升。
图1.竹鼠牙釉质纳米线-晶界结构单元的强化模型以及竹鼠牙釉质跨尺度结构分析
为了理解竹鼠门齿卓越的机械性能为何依赖高浓度铁元素，需比较两组铁含量不同的门齿。传统使用螯合剂去铁的方法会破坏釉质结构，因此研究人员采用了喂养法。将门齿仍为白色的幼鼠分为两组，一组喂正常食物（对照组），另一组额外补充琥珀酸亚铁（实验组）。实验组下门齿在第5天开始变黄，至第26天变为红褐色；而对照组色素沉积缓慢，颜色仍较浅(图2e和2f)。最终，实验组（PLexp）获得的色素层铁含量是对照组（PLcon）的4.3倍。该方法成功在不改变釉质微观结构的前提下，建立了比较色素沉积影响的理想模型。
竹鼠的门牙在其日常觅食过程中频繁接触硬质食物和土壤，展现出优异的耐磨性能。为探究这种耐磨性的微观机制，这项研究通过力学测试分析比较了富含铁的色素层（PLexp）与对照层（PLcon）在硬度、磨损响应及微尺度抗裂性能方面的差异性。结果表明，PLexp的弹性模量、屈服强度和抗压强度均高于PLcon，PLexp中的主裂纹被有效抑制，并可观察到裂纹桥接现象，持续压缩下还伴随更强烈的裂纹桥接行为，进一步解释了其应变硬化阶段的延长（图2a-d）。而且表现出更强的耐磨性(图2e-k)。因此，富铁色素层在提升硬度的同时，还显著增强了竹鼠门牙的抗磨损和抗裂纹扩展性能。
图2.着色层牙釉质的微观力学性能测试，包括微柱压缩、纳米压痕及纳米划痕性能表征
为了探究铁纳米梯度的作用机制，研究人员利用原子力显微镜，发现着色层门牙中的羟基磷灰石（HAP）纳米线周围的非晶态晶间域的弹性模量高于晶态纳米线，且弹性模量与铁含量呈正相关，这一结构可被视作“径向梯度柱”。依据欧拉-伯努利梁理论，相比均匀结构，径向梯度柱的弯曲刚度有效提升。
进一步的有限元模拟验证显示，这种梯度增强结构能承受更高应力并有效分散能量。研究还发现，铁在门牙结构中的重新分布强化了纳米线间的界面结合。分子动力学计算结果表明，铁元素与HAP之间存在明显电荷转移，有助于增强界面强度。因此，铁的引入在HAP纳米线周围的晶间域结构单元中起到“双重作用”：一是通过界面强化抑制裂纹扩展，二是通过模量梯度提升整体抗弯刚度。这两种纳米尺度的增强效应，通过牙釉质有序的微米尺度结构传递至宏观，这使得门牙在面对如砂砾等高强度摩擦环境时仍能保持完好，有效保护深层组织，避免灾难性破坏(图1a)。
尽管地壳中铁元素含量丰富，但竹鼠仅使用少量铁元素来构建其门牙，其主要原料仍然是羟基磷酸钙。铁元素在牙釉质表面富集形成薄层，并使其着色。放大着色层后发现，铁元素在HAP纳米线周围的晶间域结构中聚集，提高了纳米线周围的晶间域结构的抗弯刚度和强度，并增强了界面相，从而增强了结构的能量耗散能力。得益于牙釉质的分级结构和纳米尺度力学性能的提升，这层薄薄的铁富集层表现出高硬度、强度和抗损伤性，这对于门牙的稳定功能和长使用寿命至关重要。牙釉质和牙本质外部的这种保护层使得门牙具有自锐化特性。铁的引入还能增强门牙表面对酸性环境的抵抗力，从而进一步提高牙釉质的耐久性。
这项研究表明，竹鼠能够精细地利用铁元素来改善其门牙的机械性能，对今后仿生抗磨材料的设计具有重要启示意义。由于牙齿断裂和龋齿是人类健康的常见威胁，如果能够通过类似的食物供给策略将纳米线晶间域结构单元中适当的离子聚集引入人类牙釉质中，将会有效增强人类牙釉质的性能。
该研究得到了国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、新基石研究员项目、安徽省重大基础研究项目等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102250
（合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部）
本文链接：http://knowith.com/news-1-11693.html中国科大揭示富铁饲料显著增强竹鼠牙釉质抗损伤能力的机理
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