尽管生物可利用的元素有限，但生物体仍能最大限度地利用有限资源来制造性能卓越的生物材料。然而，对于微量元素及其形成的结构如何具体影响宏观性能，人们知之甚少。

  近期，中国科学技术大学俞书宏教授、茅瓅波教授团队通过饮食调控竹鼠的铁摄入量，成功构建了铁含量差异化的牙釉质模型，并基于此系统研究了牙釉质中微量铁元素对跨尺度力学性能的影响，提出了纳米梯度强韧化机制。成熟竹鼠牙齿在最外侧区域有20-30 μm厚的红棕色薄层（PL；着色区），其颜色变化可归因于铁元素的掺杂。纳米尺度上，铁元素在羟基磷灰石纳米线晶间区域（ICD）富集，形成径向纳米级含量梯度（图1）。

图1. 竹鼠门牙的结构（其中PL为富铁层）

  作者通过纳米压痕和微柱压缩实验对比分析了富铁区（PLexp）与对照区（PLcon）的力学行为，发现PLexp区域不仅硬度更高，且在划痕试验中表现出更小的磨损和更强的塑性变形抵抗力。进一步的压缩测试表明，PLexp具有更高的弹性模量和断裂功，断裂过程中能有效抑制裂纹扩展，显著优于PLcon。值得注意的是，尽管PLexp区域的铁含量仅比PLcon略高1.59 mol%，其能量耗散能力却提升了约1.6倍。

  为阐明铁纳米梯度的作用原理，作者使用原子力显微镜观察门牙着色区，非晶态ICD区的弹性模量比晶体纳米线更高，而且铁含量越高，弹性模量也越大，作者称这种结构特征为“径向梯度柱”。相较于均匀结构，“径向梯度柱”在弯曲刚度上有明显提升。有限元模拟的结果也证实，这种梯度增强结构能够承受更大的应力，还能有效分散能量。此外，研究还发现，ICD区的铁元素增强了纳米线之间的界面结合力。分子动力学计算也表明，铁元素和羟基磷灰石之间存在明显的电荷转移现象，这对提升界面强度有帮助。由此可见，铁元素在纳米线-ICD结构单元中发挥着双重功效。其一，通过强化界面来阻止裂纹扩展；其二，利用模量梯度增加整体的抗弯刚度（图2）。这两种在纳米尺度上的增强效果，会通过牙釉质有序的微米级结构传递到宏观层面，最终增强了结构的能量耗散能力，从而保护内部的牙釉质和牙本质免受损伤或失效。正因如此，门牙即便处于像砂砾摩擦这样恶劣的高强度环境中，依然能具有良好的功能性。

图2.纳米线-ICD结构模型

  这项研究结果表明，多级结构中微量铁元素形成的纳米梯度结构能够同时提高牙釉质的强度和韧性，为开发先进的多级结构材料提供了一种新的设计原理。此外，鉴于牙齿断裂和龋齿会带来严重的健康风险，通过饮食策略将离子掺杂入人类牙釉质表层中，或许有望增强人类牙釉质的强度和耐腐蚀性。相关成果以“Iron-rich diet enhances the damage resistance of bamboo rat tooth enamel”为题发表于《Matter》。论文第一作者为孟玉峰博士（现为魏茨曼科学研究所博士后）。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102250