经过长期的演化，许多生物结构进化出了复杂而精巧的界面形貌。这些结构具有优异的力学性质，能够实现重要的生物功能。然而，它们独特形貌之下所蕴藏的强韧化与优化机理却仍是待解之谜。

图1 生物结构中的椭圆骨缝。（a）啄木鸟喙。（b）犀牛甲虫翅鞘。（c）乌龟甲壳。（d）瓢虫翅鞘。（e）鹦鹉螺甲壳。（f）铁甲虫翅鞘。

图2 椭圆型骨缝拉拔过程的力学理论分析。（a）阶段I。（b）阶段II。（c）—（e）分别为考虑不同摩擦系数、纵横比和联锁角时的力—位移关系和von Mises应力分布。

图3椭圆骨缝的失效模式。（a）失效模式相图。（b）有限元计算结果。（c）实验测试结果。

图4 不同椭圆骨缝结构的力学性质。（a）—（c）比较了三类椭圆骨缝的拉拔力学响应。（d）—（f）比较了它们的刚度、强度和韧性。

图5 椭圆骨缝的最优化形态。（a）和（b），在不同摩擦系数下，纵横比和联锁角对结构韧性的影响。（c）和（d），在最优纵横比、联锁角附近的结构刚度和强度。

  图5预测了椭圆骨缝的最优化形态，给出了最佳的纵横比和联锁角。有趣的是，理论预测的最优化形态与自然界中甲虫翅鞘的真实形态非常接近。理论预测的优化形态可以使骨缝结构表现出综合优异的刚度、强度和韧性。这项工作揭示了生物界面中椭圆型骨缝结构的强韧化和优化机理，不仅加深了对生物材料结构—性质内在联系的理解，还为工程连接件、互锁结构，以及防护系统的仿生设计提供了理论基础。

  论文信息：

  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

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