材料组学:生物蛋白材料的材欧洲杯足球竞彩料科学欧洲杯线上买球-从纳米到宏观

生物学精致地产生分层结构，在纳米鳞片上发起的分层结构，在宏观或生理多功能材料中表现出来提供结构支持，力产生，催化性质或能量转换欧洲杯足球竞彩¹(见图1)。这一点在毛发、皮肤、骨骼、蛛丝或细胞等广泛的生物材料中得到了体现，它们在为生物系统提供关键功能方面发挥着重要作用欧洲杯足球竞彩²．

我们的研究重点是利用计算材料科学方法研究生物材料的变形和破坏机制。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球我们的目标是阐明自然的设计原则，促进材料的形成，具有特殊的材料性能欧洲杯足球竞彩^1，3尽管通常是较低的积木^4，5．

图1．生物蛋白材料的三个例子(A，中间丝，B，胶原组织，C，淀粉样蛋白)欧洲杯足球竞彩，揭示了它们的层次结构。我们的研究重点介绍了多尺度材料模型的开发，专注于变形和失败时的机械行为（从Ref.＃3所拍摄的数字）。

这些努力是被称为“物质经济学”的更广泛的研究领域的一部分。“材料组学”的定义是:通过使用系统的实验、理论或计算方法，在从纳米到宏观的多个尺度上检查过程、结构和性能之间的基本联系，研究天然材料和合成材料的材料特性欧洲杯足球竞彩^6,7.．

为了提供一个自下而上的材料行为描述，我们的跨学科本科生团队，欧洲杯足球竞彩研究生和博士后应用实验验证的基于原子的多尺度模拟方法，考虑材料科学的结构-过程-属性范式和从原子水平到整体结构的蛋白质结构。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球这种新颖的观点将化学和遗传学与功能材料的特性联系起来，并为我们提出有关生物材料行为的基本问题提供了强有力的基础。欧洲杯足球竞彩

此外，用于解释生物材料的变形和破坏机制的多尺度、层次模型的发展，为生物材料是如何制成的以及它们如何获得其独特特性提供了关键的见解。欧洲杯足球竞彩这种从失败中学习的方法已经被证明对工程材料很有用，它在生物材料上的应用有望改变我们对在自然界进化的关键材料设计原则的理解欧洲杯足球竞彩^8.．

在下面的章节中，我们将回顾两个案例研究，以证明物质组学的应用。

分层结构至关重要，可以在单个材料中提供多个不同的属性

我们的工作有助于解释生物材料的一些最显著的特性，特别是它们在可用构建块的质量受到严重限制的情况下提供多种功能的能力，以及适应不同环境条件的能力(有关综述，请参阅参考文献#3)。欧洲杯足球竞彩

例如，强度、稳健性和适应性是生物材料和结构的基本重要属性，对提供生命系统的功能属性至关重要。欧洲杯足球竞彩强度是指材料在断裂之前所能承受的最大力量(或压力)。稳健性被定义为材料容忍其结构组成中的缺陷和缺陷的能力，同时保持其提供功能的能力。

适应性是指材料适应变化的环境条件的能力。这些特性对生物材料(如皮肤、骨骼、蜘蛛丝或细胞)至关重要，这些材料欧洲杯足球竞彩要么提供自身的结构支持(如骨骼形成的骨骼)，或者需要承受正常生理条件下的机械变形(如与血管相关的细胞和组织暴露在血液的压力下)。

在工程中，强度和坚固性是完全不同的特性(参见图2)，创建结合这两种特性的材料仍然具有挑战性。欧洲杯足球竞彩例如，玻璃或陶瓷是典型的非常坚固的材料。欧洲杯足球竞彩然而，它们不是很坚固:即使是玻璃上的一个小裂缝，或试图使玻璃变形，都会导致灾难性的失败。

图2．鲁棒-强度域示意图，比较工程材料和生物材料。欧洲杯足球竞彩这些正方形代表了不同的层次结构，是根据16000多个螺旋状蛋白丝设计的。分析表明，大多数随机排列(98.13%)落在所谓的香蕉曲线上，而少数，专门设计的结构(1.98%)落在香蕉反曲线上(图取自参考文献#3)。

相比之下，铜等金属则非常坚固;然而，它们通常不抵抗大的力量。然而，这些材料允许大变欧洲杯足球竞彩形，甚至存在裂纹的材料不会导致突然破裂。然而，许多生物材料(如细胞蛋白丝、血管、胶欧洲杯足球竞彩原组织如肌腱、蜘蛛丝、骨、肌腱、皮肤)能够非常有效地提供这两种特性——强度和坚固性，并且还能与适应环境变化的能力相结合^1，3．

理解这些显著特性的关键是生物材料的特殊结构组成，包括少数不同的元素(如α螺旋或β板蛋白质结构域)，但这些元素在从纳米到宏观的多个材料水平上的结构安排的巨大多样性欧洲杯足球竞彩^1，3．大多数纤维、组织、器官和有机体在自然界发现的显示高度层次和组织的结构,特性被发现在所有尺度,从蛋白质分子(≈50),蛋白质组件(≈1到10海里)、纤维和纤维(≈10到100µm),细胞(≈50µm),并组织和器官(≈1000年代和更多µm)。

大多数早期研究集中在单一尺度上的研究，或将组织或细胞微环境作为没有异质结构的连续介质(例如，研究材料刚度或化学线索单独对细胞行为的作用)。然而，生物材料力学的因果关系比特定尺度上的单一输入要复杂得多，因此，对一系列材料尺度和层次如何促进某些生物学功能和功能障碍的研究，已经成为推动我们理解材料在生理和病理环境中的生物学作用的一个关键方面。欧洲杯足球竞彩具体来说，自然产生的生物蛋白材料如何能够统一不同的力学性能，如强度、坚固性和适应性的起源是生物学和工程科学的重大兴趣，并引起了重大关注。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

通过多尺度计算模型的发展，在单一模型中提供了多个材料层次的表示，我们阐明了多尺度力学在定义材料失效时的最终响应中所起的关键作用，以及自然的结构设计原则如何定义生物材料的层次结构欧洲杯足球竞彩^9,10.．这个过程，可能是进化驱动的，使生物材料能够结合不同的属性，如强度、稳健性和适应性，并可能解释在各种生物材料中观察到的普遍结构特欧洲杯足球竞彩征的存在，跨物种(图2)^11.．

成骨不全，骨质疏松症

材料组学也可以应用于研究生物材料在疾病条件下的灾难性破坏。欧洲杯足球竞彩成骨不全症是一种胶原蛋白的遗传性疾病，其特征是肌腱机械性变弱、骨骼脆弱、骨骼畸形和严重的产前死亡^12.．我们的工作已经证明了这一点成骨不全症突变严重损害了多个尺度的胶原组织的机械性能，从单个分子到胶原蛋白原纤维^13、14．

导致最严重的突变成骨不全症表型与最强的效果相关，导致分子间粘附弱，分子间距增加，刚度降低，胶原纤维的衰竭强度降低，抑制胶原蛋白为结缔组织提供强度和韧性的能力。我们的工作表明，这是胶原型原纤维内部应力分布的变化，并且是由于形成纳米裂纹，其中角落的应力浓度显影（图3）。

图3．成骨不全对胶原纤维内部应力分布的影响(左)，以及由此引起的应力-应变反应的变化(右)14.．突变位置的纳米裂纹的形成导致了局部应力集中(用红色标记)，这降低了原纤维的整体强度，因为它在中等的施加载荷下诱导了分子间的剪切。

我们的发现为这种疾病的多尺度机制提供了见解，并导致了特征的解释成骨不全症组织特征如机械强度降低，交联密度降低和矿物质血小板分布方式的改变。我们的研究结果首次解释了纳米尺度上的单点突变如何在更大的长度尺度上导致灾难性的组织失效。

理解这种巨大变化的材料行为的关键是，失败必须被理解为多尺度现象，其中多个尺度的机制相互作用定义了最终的材料响应。常规模型的失效和疾病的型号仅考虑一种材料结构，不要捕获完整的相关结构和机制，并且仍然存在限制它们能够描述与疾病相关的物质击穿过程中的干预的行为。对缺陷和突变的背景下对失败的理解可能从根本上改变疾病的建模和可能对待。

未来研究展望

产物是一种强大的工具，可以在多种尺度和各种功能上下文中加强对生物学中材料的理解。欧洲杯足球竞彩我们研究的长期目标是开发一种新的工程范式，包括从分子水平开始的结构和材料的分析和设计，以便通过利用材料来创造模仿和超过生物学的新材料欧洲杯足球竞彩在生物材料中发现的概念。欧洲杯足球竞彩

我们想象的发展,我们的工作可能会导致一系列新的工具,可以应用与合成生物学和自组装方法,来选择、设计,并生成一个新类的材料,类似于今天的方法使用计算机辅助设计的建筑,汽车和机器。欧洲杯足球竞彩可用的多功能和多变的材料减少了使用不同材料来实现不同性能的必要性，因此，可能会在重量和成本上提供显著的欧洲杯足球竞彩节省。利用丰富的天然构造块，如有机(如多肽或蛋白质)或无机(如矿物质)成分，结合基于自组装的新型合成技术，可能导致新的轻型材料的结构应用于汽车、飞机、欧洲杯足球竞彩以及能够减少材料的整体能源消耗和生态足迹的建筑。欧洲杯足球竞彩

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