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構如何具體影響宏觀性能，人們知之甚少。
近期，中國科學技術大學俞書宏教授、茅瓅波教授團隊通過飲食調控竹鼠的鐵攝入量，成功構建了鐵含量差異化的牙釉質模型，并基于此系統(tǒng)研究了牙釉質中微量鐵元素對跨尺度力學性能的影響，提出了納米梯度強韌化機制。成熟竹鼠牙齒在最外側區(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. 竹鼠門牙的結構（其中PL為富鐵層）
作者通過納米壓痕和微柱壓縮實驗對比分析了富鐵區(qū)（PLexp）與對照區(qū)（PLcon）的力學行為，發(fā)現PLexp區(qū)域不僅硬度更高，且在劃痕試驗中表現出更小的磨損和更強的塑性變形抵抗力。進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，作者稱這種結構特征為“徑向梯度柱”。相較于均勻結構，“徑向梯度柱”在彎曲剛度上有明顯提升。有限元模擬的結果也證實，這種梯度增強結構能夠承受更大的應力，還能有效分散能量。此外，研究還發(fā)現，ICD區(qū)的鐵元素增強了納米線之間的界面結合力。分子動力學計算也表明，鐵元素和羥基磷灰石之間存在明顯的電荷轉移現象，這對提升界面強度有幫助。由此可見，鐵元素在納米線-ICD結構單元中發(fā)揮著雙重功效。其一，通過強化界面來阻止裂紋擴展；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效果，會通過牙釉質有序的微米級結構傳遞到宏觀層面，最終增強了結構的能量耗散能力，從而保護內部的牙釉質和牙本質免受損傷或失效。正因如此，門牙即便處于像砂礫摩擦這樣惡劣的高強度環(huán)境中，依然能具有良好的功能性。
圖2.納米線-ICD結構模型
這項研究結果表明，多級結構中微量鐵元素形成的納米梯度結構能夠同時提高牙釉質的強度和韌性，為開發(fā)先進的多級結構材料提供了一種新的設計原理。此外，鑒于牙齒斷裂和齲齒會帶來嚴重的健康風險，通過飲食策略將離子摻雜入人類牙釉質表層中，或許有望增強人類牙釉質的強度和耐腐蝕性。相關成果以“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（現為魏茨曼科學研究所博士后）。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102250
