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各向异性结构决定了生物系统的引东说念主刺目标步履特质。举例，东说念主类骨骼展示了软性胶原纤维和坚忍的羟基磷灰石（HAP）的重迭且各向异性的组合。由于胶原提供了骨骼的柔韧性和弹性，而HAP则提供了硬度和强度，东说念主类骨骼具有不凡的力学性能，其弹性模量约为20 GPa。为师法这些天然特征，通过剪切力、电场、磁场、定向冰冻、离子扩散和三维打印期间等技能，还是发展出了多种基于水凝胶（HD）的各向异性结构。突出是这些各向异性口头还是在力学上加固了HD自己。此外，由于应力不错通过加入的强组分（举例玻璃状团聚物、纳米颗粒和石墨烯）进行缓冲，软性HD和强组分的各向异性口头将权贵改善通盘复合材料的物理特质。因此，关于软性HD和强组分的各向异性图案化期间关于先进的仿生和生物启发材料系统具有潜在应用出路。Lieasgang口头是千里积岩和砂岩中天然酿成的自组织各向异性千里淀图案。科学家们发现，当矿物前体的扩散反应自拼装在非均衡条款下进行时，会酿成这种周期性图案。因此，最近的研究通过使用带电纳米颗粒、液态金属、Ag+千里淀、聚电解质和生物团聚物东说念主工生成了Lieasgang口头。天然Lieasgang的图案化规范还是部分斥地，但很少商量Lieasgang口头的具体上风。最近，Lieasgang口头被用作普及离子皮肤触觉传感效力的指纹期间，以及记载外部机械变化信息的技能。关联词，Lieasgang口头何如决定材料的机械特质的机制险些莫得被揭示。

来自韩国中央大学的Sangmin Lee团队与来自韩国延世大学的Jinkee Hong团队相助揭示了Lieasgang口头不错引起非线性弹性。本研究制备了一种具有生物矿物-水凝胶重迭层的Lieasgang口头复合材料。惟一在过实足条款下进行生物矿化时才能获取此Lieasgang口头复合材料。Lieasgang口头复合材料具有非线性弹性反应，而单层生物矿物壳的复合材料则呈现线性步履，从而评释Lieasgang口头在杀青非线性弹性方面是至关伏击的。坚忍的生物矿物层代表软水凝胶缓冲了考虑能量，从而减弱了水凝胶组分的应力，进而使其大致握续地阐扬弹性。此外，非线性弹性的Lieasgang口头复合材料对外部加载具有出色的应力自便特质，这是软骨的生物力学特征。这种应力自便使得纤维状Lieasgang口头复合材料束大致承受更大的变形。干系责任以题为“Anisotropic Liesegang pattern for the nonlinear elastic biomineral-hydrogel complex”的著作发表在2024年04月26日的外洋顶级期刊《Science Advances》。

1. 立异型研究实质

本研究通过退换离子强度（I）来研究生物矿化能源学，以制备具有各向异性Lieasgang口头和非线性弹性的HAP-HD复合材料。生物矿化指的是使用富含Ca2+和PO43-的HAP前体进行HAP滋长的惬心。当离子强度低于临界值时，生物矿化酿成了单层HAP包覆的复合材料（HSC）。这种HSC呈现出HD的典型弹性反应。相悖，当离子强度跳跃过实足点时，酿成了具有Lieasgang口头的复合材料（LPC）。这种LPC呈现出类细胞和组织的非线性弹性步履。流变学研究和有限元分析（FEA）揭示了坚忍的HAP结构独有地承受了考虑能量，代表了软性HD层。这种减少了HD组分中的应力，使其大致握续地阐扬应力耗散和弹性。非线性弹性的LPC推崇出出色的应力自便才智，这亦然软骨的生物力学特征。此研究诠释了对Lieasgang口头的基才略路，以及一种获取具有平凡潜在生物医学应用的复合材料的浅显期间。

【LPC 的制造和研究】

图1A展示了LPC的基于生物矿化的Lieasgang图案酿成历程。开始，使用丙烯酰胺和海藻酸钠合成了双集中HD。突出地，离子交联剂Ca2+动作开动成核位点。丙烯酰胺集中主要动作对照组，具有显著的线性弹性，用于研究Lieasgang图案引起的LPC的非线性弹性。同期，据报说念，丙烯酰胺集中对生物矿化能源学险些莫得影响，近似于其他惰性基质（如明胶，壳聚糖和聚乙烯醇-聚乙烯吡咯烷酮HD）用于Lieasgang图案酿成。随后，HD被区分暴露于两个单独含有PO43-和Ca2+离子的HAP前体溶液中，以触发离子扩散、成核和千里淀。LPC的通盘名义变得不透明，标明HAP壳层还是滋长。凭据C 1s X射线光电子能谱（XPS）光谱，与HD比拟，LPC的C═O强度减小了31％，标明HAP还是充分滋长。将LPC切成三瓜分，不雅察到HAP的Lieasgang图案（LP-HAPs）占据了HD的里面。此外，还识别出位于HAP壳层和LP-HAP之间的中间HD（inter-HD）和HD的里面中枢（HD core）。因此，LPC呈现出各向异性的图案。对LPC进行了拉曼光谱分析，如图1B所示。值得提神的是，获取了Lieasgang图案的单位域的拉曼信号。HAP壳层区域呈现出狠恶的峰值（960 cm-1），来自HAP的PO43-。与此同期，中间HD和HD中枢区域在900到990 cm-1范围内莫得炫夸任何峰值。LP-HAP展示了狠恶的HAP拉曼信号。通过在HD中枢-LP-HAP-inter-HD区域内进行嵌入拉曼映射，可将该发现可视化（图1C）。这些拉曼实考阐明，生物矿化弃取性地发生在LP-HAP和HAP壳层区域，酿成了Lieasgang图案内的显著界限。

图1 LPC 的特征

【以生物矿化为基础的各向异性李斯钢图案酿成机制】

如图2A所示，生物矿化能源学在很猛进程上取决于HAP前体介质的I值。通过HD集中的离子渗入是由化学势梯度驱动的，从而导致离子渗入深度与I之间呈正干系关系（图2A中的蓝线）。突出是，HD与周围介质之间的浓度差（Δc）细则了离子渗入通量密度（J）：J = P(Δc/L)，其中L是HD的长度，P暗示渗入通盘。此外，使离子团簇老练到核大小所需的阈值能量应该得志成核和随后的生物矿化历程。因此，在HAP滋长历程中，生物矿化速度呈现出开动的平台期，随后呈指数增长并最终实足（图2A中的黄线）。赶紧达到实足点可能导致较小的HAP（图2A中的绿线）。总之，当I值增大时小学生手淫和邻居女孩，离子渗入变得更容易，离子达到更深的位置，生物矿化速度加速，HAP的尺寸减小。鉴于过实足意味着I值权贵增多，与低至中等I值的平方HAP前体介质比拟，生物矿化步履在过实足条款下将是独有的（图2B）。当I值远低于过实足点时，温情的离子通量导致浅层离子渗入深度，HAP冉冉从离子附着的成核名义滋长并向中枢扩散。因此，离子扩散的通盘轨迹成为单一勾搭的HAP层（图2C）。当I值进一步增多时，离子渗入变得更狠恶，酿成更厚的HAP壳层。这种惬心与报说念的单层HAP壳层酿成现象一致。

图2 生物矿化基于Lieasgang图案酿成的机制

【Lieasgang图案酿成机制的参数研究】

产生LPC的三个设施是至关伏击的，这三个设施为：HD的预pH疗养、生物矿化和后孵育（图3A）。生物矿化设施中的收缩是收效Liesegang图案的方针。本研究探究了每个设施的参数，以揭示Liesegang图案的详确机制。开始，如图3B所示，适度了生物矿化设施：I值为0.033、0.33、3.3和33 M，生物矿化前体暴露次数（#）为5和10。先前的研究诠释指出，增多#不错使HAP老练，而不受顷然前体暴露时辰的影响。此外，当I = 33 M时，暗示制备了非均衡过实足前体。在I = 0.033 M和# = 5的条款下酿成了薄薄的HAP壳层。当I值为0.33 M，# = 5时，这个HAP壳层变得相对显著。当I达到3.3 M时，在# = 5的条款下不雅察到了显著的HAP壳层前沿界限。在I = 33 M和# = 5的条款下进行的生物矿化炫夸了HD间和LP-HAP酿成的复杂结构。尽管这么的Liesegang图案到面前为止相对暗昧，然而I = 33 M导致了一种与I = 0.033到3.3 M不同的独有各向异性结构。这些发当今进行# = 10的生物矿化时变得显著。通过在# = 10的条款下增多I值直到3.3 M，HAP壳层握续增长，直到在# = 5的情况下不雅察到的生物矿化前沿界限线。在I = 33 M和# = 10的条款下进行的生物矿化导致了老练且显著的HAP壳层- HD间-LP-HAP-HD中枢的Liesegang图案。总之，使用I = 0.033到3.3 M前体进行生物矿化会产生具有不同HAP壳层厚度的HSC 1到HSC 3，而惟一在I = 33 M条款下才能弃取性地获取LPC。特征区域的厚度如图3C所示。不论#的值何如，HAP壳层在I = 3.3 M之前变得越来越厚。当#从5增多到10时，HSC 1（I = 0.033 M）和HSC 2（I = 0.33 M）的HAP壳层厚度区分增多了255和183％。与此同期，I = 3.3 M条款惟一112％的增多，说明在I = 3.3 M隔邻离子渗入速度达到了上限。辩论到I = 33 M和# = 5的条款，初度出现的LP-HAP和HD间的厚度值区分为0.18和0.06厘米。在酿成Liesegang图案后，HAP壳层厚度与I = 0.33 M的情况突出。当#为10时，LP-HAP变厚了133％，而HD间的厚度与# = 5时的值险些一致。

图3 对Liesegang图案酿成中有影响的参数的分析

【LPC 的机械特质】

尽管关联具有HAP壳层 -HD间 -HAP中枢结构的生物矿化复合材料的报说念，但各向异性结构与力学性能之间的关系尚未揭示。本研究通过弃取性滋长前成骨细胞来评释图案化HAP的生物活性。本研究进行了流变学研究，以了解各向异性Liesegang图案与非线性弹性之间的关联。突出是，选拔叠加流变学监测了在平凡变形范围内的储存模量（G'），其中G'代表弹性步履。关于一般的窄小变形范围，线性和非线性弹性材料之间的G'弧线互异不太显著（图4A中的黑线）。同期，当几个G'弧线凭据叠加表面在时辰和温度的基础上水平平顷然，线性和非线性弹性材料的主弧线将呈现权贵互异（图4A中的红线）。在先前的研究中，通过叠加表面细则了在频率范围为0.1到100 rad/s内进行推行时，在频率为108 rad/s时外推的G'值。弹性材料呈线性增长的主弧线，而非线性弹性材料则炫夸出具有多个平台的弧线主弧线。时辰-温度叠加主要用于此处，而时辰-能源学和时辰-湿度模子还荒谬用于特定目标。图4B到D展示了在频率扫描下在25℃到65℃范围内以5℃阻隔测量的G'弧线的叠加拟合主弧线，其中水平平移因子（αT）死守与阿伦尼乌斯方程干系的活化能。因此，本研究通过从零频复杂粘度测量激活能，从而细则了HD，HSC 1到HSC 3和LPC的αT值。

图4 对LPC的流变学研究

随后，本研究对HD、HSC和LPC进行有换取的5 N压缩力或21.25 N·mm扭转力的有限元分析（图5A）。如图5B和C所示，变形后的不同均衡详细标明，应力散播受Liesegang图案的权贵影响。在压缩下的HD中，其质心比顶部和底部名义承受更考虑的应力（图5B，左侧）。应力沿着方向角平滑增多，并在界限名义达到最大值，高达20.7 kPa。在HSC中也不雅察到近似的应力散播特征（图5B，中间）。尽管HAP壳层承受了更多考虑的应力，最高可达26.0 kPa，但HSC的HD部分与纯HD呈现近似的应力散播。换句话说，HAP壳层的存在很少对HSC的应力散播特征产生积极影响。相悖，LPC呈现出独有的应力散播特征，其中大部分应力偏向于LP-HAP（图5B，右侧）。对HD、HSC和LPC进行的扭转推行扫尾炫夸的应力散播特征与压缩磨真金不怕火换取（图5C）。

图5 使用有限元分析（FEA）研究Lieasgang口头的影响

【基于 LPC 的生物医学应用研究】

本研究展示了LPC在需要非线性弹性以获取懒散扫尾的医学范畴中的潜在物理上风。突出是，研究了LPC是否大致模拟结缔组织软骨的特征生物力学步履。由于其优厚的应力自便特质，软骨耐久承受着压缩和剪切力，因此应力自便被视为贪图可靠的东说念主工软骨的伏击辩论成分之一。辩论到LPC源自其Liesegang图案的优异应力耗散特质，本研究进一步探究了其动作骨重要炎患者的东说念主工指重要软骨的可行性（图6A）。在刻下阶段，LPC并莫得承担软骨的生物学功能，举例摩擦阻力。蠕变推行在恒定剪切应力（0.1 kPa）和保握时辰100 s下进行。HD炫夸出弹性蠕变反应。同期，如图6B所示，LPC展示了粘弹性的变形和归附，这亦然在具有优异应力自便特质的胶原卵白和海藻酸盐凝胶中不雅察到的惬心。此外，通过施加10%或20%的应变并保握1000 s来研究HD和LPC的应力自便特质（图6C）。先前的研究发现，在1000 s内的自便特质显著影响细胞步履，因为细胞每每对1 s内的物理环境变化明锐。不论施加的应变何如，HD在当先的100 s内保握了跳跃95%的应力动作弹性能量。相悖，LPC在覆没时辰内灵验地自便了75%的应力。此外，LPC在尽头时仅保留了70%的应力。图6D展示了HD和LPC的轮回压缩推行，滞后回线与应力自便干系。辩论到组织（包括软骨）的生理最大应变范围为30%至40%，压缩应变被施加到40%。值得提神的是，与HD比拟，LPC展示了显著的滞后回线。此外，当轮回次数增多时，LPC展示了增强的应力自便效力（图6E）。这些扫尾考证了LPC在剪切和压缩方面的灵验应力自便才智，并标明其动作东说念主工软骨以分散磨损应力的潜在后劲。

图6 诈骗LPC进行生物医学后劲的物理研究

2. 纪念与瞻望

尽管LPC与软骨推崇出近似的物理步履，但在刻下阶段，LPC在替代软骨方面存在局限性。突出是，快速的HAP生物矿化可能导致浅显的四层Lieasgang口头，从而放浪了LPC的机械性能上限。同期，本研究团队掂量这项研究的发现可能为杀青替代软骨的材料提供痕迹。不错辩论平凡的千里淀组合，因为前体溶液的过实足度决定了各向异性的Lieasgang图案。也等于说，用心贪图的千里淀能源学不错导致具有多层先进Lieasgang口头的酿成。辩论到即使是一个浅显的Lieasgang口头也能权贵影响LPC的全体机械性能，更复杂的Lieasgang口头可能会产生一种渊博且非线性弹性的复合材料，适用于替代结缔组织。

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