一些天然的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)材料例如骨、珊瑚礁等，在機(jī)械生物學(xué)機(jī)制調(diào)控下可以根據(jù)外部載荷自動(dòng)調(diào)節(jié)其力學(xué)性能以防失效碾局，從而具有自我優(yōu)化的架構(gòu)、出色的機(jī)械性能和優(yōu)異的機(jī)械效率奴艾。而經(jīng)典的合成材料往往不具有可適應(yīng)載荷條件的特性净当，需要根據(jù)預(yù)期的加載條件、設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件蕴潦，以及具有固定值的材料屬性數(shù)據(jù)庫(kù)像啼，增加相應(yīng)的安全系數(shù)，為特定的應(yīng)用選擇一種可靠材料潭苞。這無(wú)疑增加了整體結(jié)構(gòu)的成本和重量忽冻，降低了機(jī)械效率。但是此疹，目前將天然材料的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)特性引入合成材料系統(tǒng)一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)且相應(yīng)的進(jìn)展有限僧诚，面臨著包括承載能力有限遮婶、材料合成困難、成本高湖笨、材料性能變化需要額外的能量等挑戰(zhàn)旗扑。
近期發(fā)表在Advances Materials雜志上題為”Bioinspired Materials with Self-Adaptable Mechanical Properties”的文章，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)的Sung Hoon Kang團(tuán)隊(duì)受骨骼和珊瑚礁中自然礦化過(guò)程的啟發(fā)慈省，報(bào)導(dǎo)了一種新型的材料系統(tǒng)臀防。在該材料系統(tǒng)中，壓電支架在外部機(jī)械載荷刺激下產(chǎn)生成比例的電荷并以這些電荷作為信號(hào)边败，誘導(dǎo)周?chē)橘|(zhì)中的礦物離子礦化并沉積在支架上袱衷，從而強(qiáng)化負(fù)載部分的機(jī)械性能以實(shí)現(xiàn)自硬。此外笑窜，利用這種自適應(yīng)機(jī)制能夠很容易地通過(guò)控制支架上的應(yīng)力分布來(lái)制造具備功能梯度力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)致燥。
研究人員首先驗(yàn)證了壓電支架受機(jī)械載荷刺激產(chǎn)生電荷而誘導(dǎo)礦化的假設(shè)（圖1）。將壓電聚合物膜（PVDF）在靜態(tài)彎曲下浸入模擬人體液中離子濃度的模擬體液（SBF）中孵育一周怖侦，然后觀察薄膜表面所形成的礦物質(zhì)篡悟。由于電偶極子的重組，在累積負(fù)電荷的壓應(yīng)力側(cè)礦化作用占主導(dǎo)地位,X射線衍射分析表明沉積礦物顯示了羥基磷灰石（HAp）的衍射峰匾寝。并且上述受外部載荷（電荷）刺激的類(lèi)似礦物沉積行為在不同的壓電復(fù)合材料上均能觀察到搬葬。
為了了解這種礦化動(dòng)力學(xué)，研究人員進(jìn)行了帶電表面極性艳悔、SBF介質(zhì)濃度急凰、外部加載條件對(duì)礦物沉積厚度、速度的定性研究猜年。礦物主要是在負(fù)電荷表面沉積形成抡锈，SBF中鈣濃度越高礦物沉積速度越快，并且循環(huán)機(jī)械載荷相較于靜態(tài)載荷和無(wú)機(jī)械載荷由于產(chǎn)生了更多的電荷而具有更高的礦物沉積含量乔外。另外床三，研究人員利用懸臂梁承受懸臂載荷的梯度應(yīng)力特性，外加應(yīng)力（以及產(chǎn)生的壓電電荷）隨梁的長(zhǎng)度成比例變化即高應(yīng)力區(qū)電荷較高杨幼，低應(yīng)力區(qū)電荷較低撇簿。將PVDF懸臂試樣在SBF中反復(fù)加載，結(jié)果顯示不同位置的應(yīng)力大小與沉積礦物厚度一致差购，定性關(guān)系體現(xiàn)為礦物高度（MH）與電荷（Q）或應(yīng)力（σ）的平方根成正比四瘫。在高應(yīng)力(高電荷)區(qū)域，礦物質(zhì)的含量逐漸增加欲逃，表明其能夠通過(guò)增加礦化程度自動(dòng)提高強(qiáng)度以適應(yīng)外部載荷條件找蜜，最大程度的減少破壞。
最后稳析，研究人員研究了這種材料系統(tǒng)是否以通過(guò)響應(yīng)類(lèi)似于骨骼的外部載荷而誘導(dǎo)礦物形成來(lái)改變其機(jī)械行為洗做。利用靜電紡絲制備了多孔壓電支架弓叛，在室溫SBF溶液中，支架承受循環(huán)機(jī)械載荷诚纸。通過(guò)測(cè)量邪码，支架通過(guò)響應(yīng)周期性載荷而改變其機(jī)械性能，從而表現(xiàn)出自增強(qiáng)性咬清。通過(guò)對(duì)比外刺激前后支架在SBF中的應(yīng)力應(yīng)變行為，可以發(fā)現(xiàn)由于礦化作用奴潘，支架在模量方面提高了約30%旧烧，在韌性方面提高了約100%。同時(shí)不斷提高循環(huán)加載載荷画髓，在最大5N循環(huán)荷載作用下掘剪，3天后模量提高了約180%，進(jìn)一步證明了其出色的自適應(yīng)能力奈虾。
