探索大自然中的微觀（妙）結構

大自然透過長時間的演化，發展出了許許多多的自然結構材料（natural structural materials）[1]，這些材料既輕量（lightweight），又能提供良好的力學性質。更有趣的是，這些材料大部分都是由一種相對較軟的材料（soft material）再加上一種較硬的材料（hard material）所組成，透過複雜的微觀結構設計來達到各式各樣的力學需求，就像我們土木工程師利用幾種基本的工程材料（如：鋼筋、混凝土），設計出難以數計的結構來提供各式各樣的民生需求。

圖1  列舉自然材料與人工材料之力學性質；雖然自然材料不一定是目前力學性質最佳的材料，然而大自然能透過複雜的微觀結構設計發展出具有更佳力學性質的材料（見圖2）；Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature materials[1], copyright（2014）。

以我們身體中的材料為例，膠原蛋白（collagen）與礦物質（hydroxyapatite）透過多樣的結構設計組成了支持我們身體的各種材料（如：肌腱、皮膚、軟骨與骨骼等），其中膠原蛋白即屬於較軟的材料，具有良好的抗張力，而礦物質則屬於較硬的材料，透過適當的結構設計，膠原蛋白與礦物質組成我們的骨骼，提供輕量且能夠支撐整個人體所需的強度。

若我們分別檢視組成自然結構材料的基本成分的力學性質，會發現這些基本成分也許並不是最強的材料，如圖一所示，圖中標示了各式自然材料與人工材料的力學性質，其中ceramics與carbon fibre擁有比collagen與hydroxyapatite還要良好的力學性質，然而大自然巧妙的運用微觀的結構設計達到1+1>2的目的。如圖2所示，透過微觀的結構設計，骨骼（bone）能具有遠比只將膠原蛋白與礦物質均勻的參雜（圖中虛線）還要好的力學性質（fracture toughness），除此之外，這些大自然中的材料多具有自我修復的功能。

圖2  自然結構材料透過微觀結構設計取得比其組成更好的力學性質；以骨骼（bone）為例，骨骼是由膠原蛋白 （collagen）與礦物質（hydroxyapatite）所組成，透過微觀結構設計，能顯著提升骨骼的fracture toughness。 （圖中虛線表示沒有微觀結構時，將兩種材料混合所得的fracture toughness）；Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature materials[1], copyright（2014）

骨骼的微觀結構

隨著科技的進步，越來越多新的技術讓我們能更加深入的探索自然結構材料的微觀結構。圖3為骨骼的微觀結構，由圖中可以看出，我們的骨骼是透過兩種基本材料：膠原蛋白分子（collagen molecule）與礦物質（hydroxyapatite nanocrystal）[2, 3]，以複雜的結構設計組成一種多尺度的hierarchical material；在骨骼的生成過程中，首先膠原蛋白分子會以獨特的排列方式形成微膠原纖維，並在微纖維中預留下空間，接著礦物質便會堆積在這些空間中形成具有礦物質的微膠原纖維（mineralized collagen fibril），而這些微膠原纖維則會成為骨骼的基本元件，再透過複雜的結構設計組成骨單位（osteons）與骨小管（haversian canals），最後再形成輕且堅固的骨骼來滿足我們生活中運動所需的強度。

圖３  骨骼的組成：骨骼是一種具有巧妙微觀結構的多尺度材料，膠原蛋白分子（collagen molecule）與礦物質（hydroxyapatite nanocrystal）是骨骼的基本成分，膠原蛋白分子是由三條胺基酸序列組成三股螺旋結構，具有良好的抗張力，每一膠原蛋白分子的長度約為300奈米，透過獨特的堆疊方式形成微膠原纖維（collagen fibril），塊狀的礦物質會堆積在微膠原纖維中組成骨骼的基本元件，與RC設計有異曲同工之妙，這些微膠原纖維會再進一步的以複雜的結構組成骨骼。Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature materials[1], copyright（2014）

仔細探索骨骼的微觀結構與其破壞方式，會發現其複雜的微觀結構正是骨骼能有良好力學性質（如：fracture toughness）的主要原因[4]。骨骼良好的韌性源至於其微觀結構所設計出的數種抵抗裂縫的機制，可分為intrinsic與extrinsic toughening mechanisms兩大類（圖4），其中intrinsic toughening mechanism主要發生在奈米尺度（< 1μm），由於其微觀結構，透過膠原纖維彼此間的滑動以及膠原蛋白與礦物質接觸面的作用力，提供骨骼一部分的韌性，而extrinsic toughening mechanism主要發生在較大的尺度（> 1μm），骨骼的結構提供了許多抵抗裂縫擴大的機制，其一為透過改變裂縫擴大的方向或是反彈裂縫（crack deflection）來增加骨骼的韌性。

圖4  骨骼的微觀結構與其韌性有密不可分的關係：骨骼良好的韌性源至於其微觀結構設計，可分為微觀尺度的 intrinsic toughening mechanisms與尺度較大的extrinsic toughening mechanism。 Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature materials[1], copyright（2014）

骨骼的微觀結構與疾病

如同結構工程一樣，良好的結構設計能解決許多民生需求，然而不良的結構設計，則會帶來嚴重的後果。在健康人的骨骼中，由於其微妙的微觀結構設計，提供了既輕量且能支持我們日常生活的骨骼，然而若骨骼中的結構出了問題，將會導致各式各樣的疾病。以成骨不全症（brittle bone disease，一般人稱「玻璃娃娃」）為例，其病因源自於膠原蛋白序列的改變（mutation），當身體內的膠原蛋白出了問題時，會導致骨骼變脆，就好像於RC設計時，若選用了錯誤的鋼筋，將會影響RC的性質。

圖5  成骨不全症源於膠原蛋白中胺基酸序列的改變，胺基酸序列與膠原蛋白分子結構有密不可分的關係， 研究顯示異常的膠原蛋白分子會形成一些彎曲，進而影響微膠原纖維的堆疊， 成骨不全症的膠原蛋白纖維 在分子與分子間有較大的間距，這些結構上的改變進一步的影響礦物質的堆積以及骨骼的力學性質。 （Figure reproduced from [5] ）

在分子尺度膠原蛋白中胺基酸序列的改變，如何導致巨觀上骨骼變脆，仍然是個需要更多深入研究的議題。隨著科技的進步，現在有越來越多的技術能讓我們更深入的探索骨骼的微觀結構，透過計算模擬，目前研究指出膠原蛋白中胺基酸序列的改變，會影響膠原蛋白的分子結構，如圖五所示，在研究鼠類的成骨不全症當中，結果顯示成骨不全症的膠原蛋白與健康的膠原蛋白有不同的結構[5] ，成骨不全症的膠原蛋白會形成一些彎曲，而這些結構上的改變，造成膠原蛋白分子堆疊形成膠原微纖維時有不同的堆疊方式，這些堆疊更進一步的影響了礦物質的堆積，進而形成微觀結構異常的骨骼，而這些微觀結構的改變即為骨骼較脆的分子起源，此結果表示骨骼的微觀結構與其相關的疾病有緊密的關係。

結語

大自然透過數萬年的時間，經由演化設計出各式各樣的自然結構材料，就如同我們設計各式各樣的工程一般，都是透過少數幾種基本的材料，經由複雜微妙的結構設計，來提供多樣化的需求；隨著科技的進步，我們能更進一步的探索自然結構材料的微觀結構設計。這些自然結構材料的結構往往比人造材料更加複雜，而這些複雜的結構設計正是自然材料能既輕量又提供良好力學性質的原因，透過探索自然結構材料的微觀結構，一方面能激發對人工材料的設計，如圖二所示，如能將這些設計應用於人工材料中，未來將能設計出擁有更好力學性質的材料；另一方面，由於許多疾病與自然材料的結構有關，藉由我們對結構設計的專長來探索自然材料的微觀結構，也能幫助我們更加了解許多與力學相關的疾病（如：玻璃娃娃與骨質疏鬆等）。

參考文獻

1. Wegst, U.G.K., et al., Bioinspired structural materials. Nat Mater, 2015. 14(1): p. 23-36.
2. Nair, A.K., et al., Molecular mechanics of mineralized collagen fibrils in bone. Nat Commun, 2013. 4: p. 1724.
3. Gautieri, A., et al., Hierarchical Structure and Nanomechanics of Collagen Microfibrils from the Atomistic Scale Up. Nano Letters, 2011. 11(2): p. 757-766.
4. Launey, M.E., M.J. Buehler, and R.O. Ritchie, On the mechanistic origins of toughness in bone. Annu. Rev. Mater. Sci., 2010. 40: p. 4175-4188.
5. Chang, S.W., S.J. Shefelbine, and M.J. Buehler, Structural and Mechanical Differences between Collagen Homo- and Heterotrimers: Relevance for the Molecular Origin of Brittle Bone Disease. Biophysical Journal, 2012. 102(3): p. 640-648.
6. Gautieri, A., et al., Hierarchical Structure and Nanomechanics of Collagen Microfibrils from the Atomistic Scale Up. Nano Letters, 2011. 11(2): p. 757-766.