一些天然的动态结构材料例如骨、珊瑚礁等，在机械生物学机制调控下可以根据外部载荷自动调节其力学性能以防失效，从而具有自我优化的架构、出色的机械性能和优异的机械效率。而经典的合成材料往往不具有可适应载荷条件的特性，需要根据预期的加载条件、设计目标和约束条件，以及具有固定值的材料属性数据库，增加相应的安全系数，为特定的应用选择一种可靠材料。这无疑增加了整体结构的成本和重量，降低了机械效率。但是，目前将天然材料的自适应动态特性引入合成材料系统一直是一个巨大的挑战且相应的进展有限，面临着包括承载能力有限、材料合成困难、成本高、材料性能变化需要额外的能量等挑战。
近期发表在Advances Materials杂志上题为”Bioinspired Materials with Self-Adaptable Mechanical Properties”的文章，来自约翰霍普金斯大学的Sung Hoon Kang团队受骨骼和珊瑚礁中自然矿化过程的启发，报导了一种新型的材料系统。在该材料系统中，压电支架在外部机械载荷刺激下产生成比例的电荷并以这些电荷作为信号，诱导周围介质中的矿物离子矿化并沉积在支架上，从而强化负载部分的机械性能以实现自硬。此外，利用这种自适应机制能够很容易地通过控制支架上的应力分布来制造具备功能梯度力学性能的结构。
研究人员首先验证了压电支架受机械载荷刺激产生电荷而诱导矿化的假设（图1）。将压电聚合物膜（PVDF）在静态弯曲下浸入模拟人体液中离子浓度的模拟体液（SBF）中孵育一周，然后观察薄膜表面所形成的矿物质。由于电偶极子的重组，在累积负电荷的压应力侧矿化作用占主导地位,X射线衍射分析表明沉积矿物显示了羟基磷灰石（HAp）的衍射峰。并且上述受外部载荷（电荷）刺激的类似矿物沉积行为在不同的压电复合材料上均能观察到。
为了了解这种矿化动力学，研究人员进行了带电表面极性、SBF介质浓度、外部加载条件对矿物沉积厚度、速度的定性研究。矿物主要是在负电荷表面沉积形成，SBF中钙浓度越高矿物沉积速度越快，并且循环机械载荷相较于静态载荷和无机械载荷由于产生了更多的电荷而具有更高的矿物沉积含量。另外，研究人员利用悬臂梁承受悬臂载荷的梯度应力特性，外加应力（以及产生的压电电荷）随梁的长度成比例变化即高应力区电荷较高，低应力区电荷较低。将PVDF悬臂试样在SBF中反复加载，结果显示不同位置的应力大小与沉积矿物厚度一致，定性关系体现为矿物高度（MH）与电荷（Q）或应力（σ）的平方根成正比。在高应力(高电荷)区域，矿物质的含量逐渐增加，表明其能够通过增加矿化程度自动提高强度以适应外部载荷条件，最大程度的减少破坏。
最后，研究人员研究了这种材料系统是否以通过响应类似于骨骼的外部载荷而诱导矿物形成来改变其机械行为。利用静电纺丝制备了多孔压电支架，在室温SBF溶液中，支架承受循环机械载荷。通过测量，支架通过响应周期性载荷而改变其机械性能，从而表现出自增强性。通过对比外刺激前后支架在SBF中的应力应变行为，可以发现由于矿化作用，支架在模量方面提高了约30%，在韧性方面提高了约100%。同时不断提高循环加载载荷，在最大5N循环荷载作用下，3天后模量提高了约180%，进一步证明了其出色的自适应能力。
