《Materials & Design》：Structure–function insights from bamboo shark denticles applied to protective composite design
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竹鲨盾鳞展现出区域特异性的梯度多层结构，其坚硬保护性外层与较柔软的内层形成对比。受竹鲨盾鳞启发的复合材料具有梯度杨氏模量，通过多材料3D打印制造。仿生3D打印复合材料在静态和动态加载下均表现出增强的能量耗散和冲击吸收能力。
竹鲨盾鳞展现出区域特异性的梯度多层结构，其坚硬保护性外层与较柔软的内层形成对比。受竹鲨盾鳞启发的复合材料具有梯度杨氏模量，通过多材料3D打印制造。仿生3D打印复合材料在静态和动态加载下均表现出增强的能量耗散和冲击吸收能力。
竹鲨盾鳞结构-功能关系及其对防护复合材料设计的启示
研究背景与问题：鲨鱼皮肤表面覆盖着一层矿化的真皮盾鳞（dermal denticle），这些盾鳞起源于真皮并穿过表皮，起到保护、减阻、防污等作用。以往对远洋活动鲨鱼的研究多关注其盾鳞的水动力学和防污性能，并已应用于翼型、流体系统和医疗技术；然而，对慢速游泳的底栖鲨鱼，其盾鳞作为防护装甲和结构增强的作用仍未被充分探索。白斑竹鲨（*Chiloscyllium plagiosum*）是一种典型的底栖鲨鱼，能够用胸鳍和腹鳍沿海底行走，但已有研究仅聚焦于其运动形态，对盾鳞的结构与力学特性认知有限。虽然已有报道测定了其他鲨鱼皮肤的刚度，也有研究对竹鲨盾鳞的釉质层进行了纳米压痕表征，但完整覆盖从冠部到根部、跨多个身体区域的梯度力学信息仍然缺失。因此，本研究以白斑竹鲨为对象，系统表征不同身体区域盾鳞的形态、元素组成和梯度力学性能，并据此设计仿生防护复合材料，以填补底栖鲨鱼防护功能研究的空白，同时为耐磨、抗冲击的柔性装甲开发提供仿生学路径。
研究人员开展了什么研究：研究人员从台湾新竹当地鱼市场获取一只体长67 cm的成年雌性白斑竹鲨，从吻端（Sn）、胸鳍腹面（Pec）、腹部（B）、侧翼三个区域（F1、F2、F3）和尾柄（CP）共7个部位取样。利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察盾鳞形态，使用场发射电子探针显微分析（FE-EPMA）测定钙（Ca）、磷（P）、氟（F）元素分布，并采用纳米压痕技术从冠部到根部测试折合模量（reduced modulus，Er）和硬度（hardness，H）。基于天然盾鳞的简化几何模型（菱形冠部、倾斜12°的颈部），采用多材料3D打印（Stratasys J750 Prime）制造具有不同刚度梯度（E、E–H–H、E–H–M、E–M?M）和两种排列方式（重叠与非重叠）的仿生复合材料，并通过准静态压缩、蠕变/应力松弛、落锤冲击和分离式霍普金森压杆（SHPB）测试评价其力学性能。研究得出的核心结论是：天然竹鲨盾鳞具有从坚硬外层到柔软内层的功能梯度结构，外层富含氟、硬度和模量显著更高；仿生复合材料中，具有柔软内层的梯度设计在能量耗散和冲击吸收方面优于全硬设计，且重叠排列比非重叠排列更有效地提高承载能力和抗冲击性能。该研究将生物结构-功能关系转化为工程防护设计原则，为开发耐磨、抗冲击的柔性防护材料提供了新的思路，论文发表在《Materials》。
关键技术方法概述（不超过250字）：研究使用的样本来自台湾新竹当地鱼市场的一只成年雌性白斑竹鲨（体长67 cm），取样部位包括Sn、Pec、B、F1、F2、F3和CP共7个区域。主要方法包括：临界点干燥后进行SEM形态观察和盾鳞密度统计；FE-EPMA分析盾鳞横截面的元素分布；纳米压痕测量冠部1、冠部2、颈部和根部的折合模量与硬度。仿生样品采用Stratasys J750 Prime多材料3D打印，以Veropurewhite、RGDA8520、RGDA8530模拟梯度刚度，FLXA9860作为软基板，设置重叠与非重叠两种排列。力学测试采用万能试验机进行准静态压缩和蠕变/应力松弛，使用自制落锤塔（冲击速度约2.4 m/s）和SHPB装置（冲击速度约2.1 m/s）进行动态加载。
研究结果：
3.1 白斑竹鲨盾鳞的特征
3.1.1 形态模式：通过SEM图像和ImageJ测量发现，不同身体区域的盾鳞呈交错排列，背部区域（Sn、F1、F2、F3、CP）的盾鳞具有明显的前脊，可能有助于降低摩擦阻力；腹部区域（Pec、B）的盾鳞呈菱形、表面平坦，起耐磨保护作用。冠长（约348–644 μm）始终大于冠宽（约292–440 μm），其中F1、F2、F3和CP区域差异尤为显著。盾鳞密度以F1区最高（19.7个/mm2），B区次之（16.8个/mm2），而F2、F3和CP区较低（6–7个/mm2），表明不同身体区域存在防护需求的分化。
3.1.2 成分组成：FE-EPMA元素图谱显示，盾鳞最外层含有明显更高浓度的Ca、P和F，证明外层具有更高的化学稳定性。定量结果显示，背部区域的氟含量（2.44–3.67 wt%）显著高于腹部区域（0.79–1.79 wt%），钙磷比在1.86–2.11之间。背部盾鳞中形成的氟磷灰石比化学计量羟基磷灰石更耐脱矿，使其能够承受更强的水动力和磨蚀作用；腹部盾鳞则通过更高的结构刚度和硬度来实现耐磨，而非依赖化学稳定化。
3.1.3 力学性能：纳米压痕测试显示，无论矢状面还是额状面，冠部最外层（crown 1）的折合模量（29–80 GPa）和硬度（2.4–5.1 GPa）均远高于内部各层。从冠部2（crown 2）到颈部再到根部，折合模量（13–37 GPa）和硬度（0.3–1.5 GPa）逐渐降低。微观结构显示，外层为致密矿化的针状晶体束，冠部2为牙本质样结构，颈部和根部由矿化纤维构成并具有较低刚度。这种从高硬度外层到韧性内层的梯度组织构成了一种功能梯度材料系统，使盾鳞兼具耐磨性和结构韧性。
3.2 受竹鲨盾鳞启发的3D打印结构的力学性能
3.2.1 压缩试验与松弛过程：准静态压缩试验中，所有样品的应力-应变曲线呈现两个阶段：初期（应变<15%）盾鳞位置调整并压缩软基板；后期（应变≥15%）根部穿透基板，载荷直接传递至盾鳞，导致应力迅速上升。在30%应变下，重叠排列的E和E–H–H样品能量吸收约为1.79 MJ/m3和1.78 MJ/m3，高于E–H–M（1.39 MJ/m3）和E–M?M（1.35 MJ/m3）；非重叠排列的对应数值均更低。蠕变/应力松弛试验中，在20%应变时，重叠排列的E–H–M样品尽管最大应力最低（1.47 MPa），但最终能保持46%的应力，而E样品衰减最快，仅保留38%。在30%应变下，所有样品最终应力保留约18–20%，但E–H–M和E–M?M在初始阶段应力衰减更慢。结果表明，重叠排列能通过齿间互锁更有效地分散载荷；较柔软的梯度内层能够缓解应力集中，延缓应力松弛，从而提升结构耐久性。
3.2.2 动态测试：在落锤冲击试验（约2.4 m/s）中，所有样品的力-位移曲线均出现两个峰值，第一个峰约18–21 kN，第二个峰约31–34 kN，吸收能量均约14 J。破坏模式存在明显差异：重叠排列的E样品在颈部冠部区域完全开裂，而E–M?M样品仅发生局部部分断裂；非重叠样品的断裂主要发生在颈部，导致冠部脱落。在SHPB测试（约2.1 m/s）中，E样品发生灾难性断裂，裂纹从颈部延伸并导致冠部脱落；而包含梯度层（E–H–M和E–M?M）的样品则表现出对裂纹扩展的抵抗能力，大部分盾鳞保持完整。这表明，梯度设计通过将应力分散到较软的内部层，延迟了裂纹萌生并限制损伤范围，在高速冲击下具有更优的防护性能。
讨论与结论：研究讨论指出，仿生复合材料的性能差异不仅取决于材料刚度，还取决于梯度刚度与结构排列之间的协同作用。重叠排列是提升承载能力、减少应力集中和增强能量耗散的关键结构原则。天然盾鳞冠部硬度（约2.7–4.7 GPa）远高于3D打印材料（邵氏硬度比约1.01–1.09），说明仿生制造不仅要复制结构形态，还需进一步复制材料内部的机械异质性。研究结论可概括为：竹鲨盾鳞的分级组织实现了力学性能的优化，外层的高氟含量和高硬度提供了化学稳定性和耐磨性，而柔软的内层增强了能量耗散和弹性；具有梯度刚度且采用重叠排列的仿生结构，在静态和动态载荷下均表现出更优的抗冲击和能量吸收性能。这一结构-功能关系为新型柔性防护材料的设计提供了明确的仿生学依据。
