你的身体中，有一套连科学家都难以复制的高端材料

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　2018-06-12 · 果壳科学人/网易科技　& |! h. n$ k& d9 |" u
说到复合材料，我们第一时间想到的可能是航空航天材料，比如火箭、神舟飞船上用的高性能材料。其实，复合材料就在我们的身边，甚至在我们的身体里——骨骼就是一种复合材料。
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坚实的骨骼是摆出各种奇怪姿势的物质基础。图片来源：hellorf; ]8 L: D9 j5 t8 {! g2 F5 E& H

( q7 J& ~* [# Y& V　　复合材料是由两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应。这种协同效应使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
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　　骨骼支撑着大多数哺乳动物的身体结构，有了骨骼，我们能够承受很大的外力，可以抬起很重的东西；我们的心肺等器官得到了保护，肌肉得到了支撑。骨骼还能够再生，即使发生断裂或破损，也可以吸收周围的钙离子转化成新的骨骼。6 A8 Q3 _. A0 z
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　　我们人体里有206块骨头，不同部位的骨头的硬度、弹性以及其他功能都略有不同，以适应不同的需要。骨骼是怎么做到这一点的呢？这要从它的内部结构说起。
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　　骨头的成分中，大约百分之七十是矿物质，百分之三十是有机物，这些有机物包括了骨胶原蛋白、糖蛋白、唾液酸蛋白，还有一些水分。这些组分在骨骼中并不是简单的堆积在一起，他们还具有等级分明的结构。
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  m# I9 Q! j1 \; M7 z) P# z3 Z骨骼的基本组成部分包括矿物质和其他物质。图片由作者制作3 R2 _, {* j# B) {3 i6 N1 @
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　　首先，胶原蛋白分子像编麻花辫一样，拧成了一根三股螺旋的纳米纤维。这根纤维很有弹性，表面还有很多能促进骨头生长的物质，骨骼就是从这里生长起来的。
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　　接着，羟基磷灰石的小晶体在胶原蛋白表面生长。这就是骨头中占据70%的矿物质的主要成分，它的化学式是Ca10(PO4)6(OH)2。羟基磷灰石的晶体是我们知道的最小的生物晶体，它是一个小薄片，30-50 nm长，20-25 nm宽，厚度1.5-4 nm。（1纳米大概是一根头发丝的八万分之一。）矿物质的小圆盘沿着纤维的长轴方向排列，平行地堆积成一串，这就是矿化了的胶原蛋白纤维。
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骨骼的多层级结构。图片来源：Nature；图片由作者汉化
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7 F3 E6 p& Z3 i/ i1 c: u' b　　矿化的胶原纤维强度已经比之前大大增强了，它们像稻草一样，在一起排列成一捆。这就好比“一根筷子易折断，一把筷子折不断”，一大束纤维在一起强度已经很高了。
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. j/ B2 Z6 i- a. r6 T　　这些纤维束再按照特定的模式排列。就组成了圆柱形的“骨原”。顾名思义，它是骨头的基本单位。骨原呈圆柱形，中间有小孔，这些孔扮演着重要的作用，它们充当神经、血液、细胞的通道。
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　　作为一块骨头，光有很高的强度，结构上却是“铁板一块”是不合格的，骨头上还要有很多孔隙，能够让细胞附着，让神经生长，把营养物质输送出去。于是，骨头想出了一个办法，它可以同时具有松质骨和皮质骨两种结构。松质骨的总体积中有75-95%是孔隙，就像海绵一样，虽然强度不高，但是孔隙为血管和骨髓提供了空间；皮质骨的孔比较少，只有5-10%，密度很高，这部分输送物质没那么多，但是强度很高，起到了支撑的作用。人造的骨骼，需要用皮质骨的强度作为标准，这样才能在强度上和人的骨骼相似。
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皮质骨与松质骨。图片来源：Nature；图片由作者汉化$ Y" J! |" q8 @7 a1 n  l4 ?
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　　正是不同功能的组分，以高度有序的方式组织在一起各司其职，骨骼才能撑起我们肌肉、保护我们的器官、让我们能跑能跳。但这样复杂的结构，让材料学家们很是头疼——人工合成的材料中，目前还没有能够完全代替骨骼的，强度够用的材料往往有点脆、有弹性的材料可能又不够耐用；力学强度都达到要求了，又可能无法完全和人体相容，有时候会发生排异反应。目前最先进的医用人造关节，也只有20年左右的寿命。
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! K) W4 Q' g+ i　　我们可以从大自然中学习的东西还有很多。骨骼结构给材料学家提供了很多灵感，近年来出现了很多新的材料，它们的结构都模仿了自然界中的骨骼结构，目前这些材料可以用在人造关节，义肢、甚至机器人的手臂等等领域。
7 G  X% E; g# p6 R% [, N
4 j( }0 A: k+ x9 s* X  m8 h　　观察你的周围，还有哪些物质是复合材料呢？它的每个组成部分又承担了什么样的功能呢？让你吃不下饭的智齿，海边闪闪发亮的贝壳，出淤泥而不染的荷叶……其实复合材料离我们并不遥远，它们组成了我们，也组成了这个缤纷的世界。9 U" ?& x9 M6 A
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, B& {; a9 r- X0 h" r图片来源：hellorf, Julie Marsh/Unsplash
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　　作者：巴利斯坦2 A# J: G5 y' k
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　　编辑：张帅琰' V- B0 w' y5 c  l8 u& ]! E7 w0 a
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