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  經(jīng)過長期的演化，許多生物結構進化出了復雜而精巧的界面形貌。這些結構具有優(yōu)異的力學性質，能夠實現(xiàn)重要的生物功能。然而，它們獨特形貌之下所蘊藏的強韌化與優(yōu)化機理卻仍是待解之謎。

圖1 生物結構中的橢圓骨縫。（a）啄木鳥喙。（b）犀牛甲蟲翅鞘。（c）烏龜甲殼。（d）瓢蟲翅鞘。（e）鸚鵡螺甲殼。（f）鐵甲蟲翅鞘。

圖2 橢圓型骨縫拉拔過程的力學理論分析。（a）階段I。（b）階段II。（c）—（e）分別為考慮不同摩擦系數(shù)、縱橫比和聯(lián)鎖角時的力—位移關系和von Mises應力分布。

圖3橢圓骨縫的失效模式。（a）失效模式相圖。（b）有限元計算結果。（c）實驗測試結果。

圖4 不同橢圓骨縫結構的力學性質。（a）—（c）比較了三類橢圓骨縫的拉拔力學響應。（d）—（f）比較了它們的剛度、強度和韌性。

圖5 橢圓骨縫的最優(yōu)化形態(tài)。（a）和（b），在不同摩擦系數(shù)下，縱橫比和聯(lián)鎖角對結構韌性的影響。（c）和（d），在最優(yōu)縱橫比、聯(lián)鎖角附近的結構剛度和強度。

  圖5預測了橢圓骨縫的最優(yōu)化形態(tài)，給出了最佳的縱橫比和聯(lián)鎖角。有趣的是，理論預測的最優(yōu)化形態(tài)與自然界中甲蟲翅鞘的真實形態(tài)非常接近。理論預測的優(yōu)化形態(tài)可以使骨縫結構表現(xiàn)出綜合優(yōu)異的剛度、強度和韌性。這項工作揭示了生物界面中橢圓型骨縫結構的強韌化和優(yōu)化機理，不僅加深了對生物材料結構—性質內(nèi)在聯(lián)系的理解，還為工程連接件、互鎖結構，以及防護系統(tǒng)的仿生設計提供了理論基礎。

  論文信息：

  Yun Xing#, Can Yang#, Shu-Yi Sun, Zi-Long Zhao*, Xi-Qiao Feng, Jialing Yang, Huajian Gao*, Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces. Acta Biomaterialia, 2024.

  https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.12.013

  下載：Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces