《Science》期刊近日发表北京航空航天大学化学学院郭林教授团队及合作者在类牙釉质复合材料的制备及性能方面取得的重要研究成果“多尺度构筑人工牙釉质”。该成果为人造牙釉质的宏观组装提供了一种新的工程设计方法和途径，所设计的仿生复合材料不仅保留了生物原型的结构复杂性，并且实现了高刚度、硬度、强度，粘弹性和韧性的完美结合，被称作“史上最强人造牙釉质”。
牙釉质是人体中最硬和最强的组织，且具有优异的粘弹性和韧性来抵抗咀嚼过程中的震动及冲击力。修复牙釉质，堪称是仿生领域一项最“硬核”的挑战。虽然可以通过生物矿化、无机模板合成等方法仿生天然牙釉质的结构，但是由于牙釉质结构的复杂性，目前还无法有效获得与天然釉质多级结构相同的大面积修复层，也并未复刻天然牙齿的各项性能。
郭林教授研究团队设计了基于“纳米结构单元的宏量合成及可控组装”的多尺度类牙釉质复合材料合成路线，实现了迄今为止与牙釉质结构最为相近的类牙釉质复合材料的可控制备。具体来讲，通过水热法设计合成了与牙釉质釉柱微观尺寸接近的羟基磷灰石纳米线；通过合理调控材料的生长与成核，实现了非晶氧化锆陶瓷层在羟基磷灰石纳米线表面的均匀生长，模仿了天然牙釉质的无机非晶间质层；合理改进定向冷冻装置，实现了晶体/非晶复合纳米线与聚合物的复合及宏观尺寸可控组装，制备得到了从原子尺度到宏观尺度皆具有类牙釉质结构的人工牙釉质。
如此制备的多级次类牙釉质复合材料，兼具高刚度（105GPa），高硬度（5.9GPa），高粘弹性（VFOM，5.5GPa），高强度（143MPa），高韧性（7.4MPam1/2）等特性，优于之前报道的类牙釉质复合材料及牙釉质、骨骼、贝壳珍珠母等生物材料，充分体现了材料微结构设计对于材料性能提升的重要作用。特别需要指出的是，多级次类牙釉质复合材料的力学性能可以通过改变其组分来调控，进而制备得到性能与天然牙齿接近的复合材料：与天然牙釉质相近的硬度和模量既能提供牙齿咀嚼所需的硬度和强度，也能够保证不过度磨耗健康牙齿；优于天然牙釉质的粘弹性和韧性可以保证材料耐受更大的震动和冲击力。该结构与性能与天然牙釉质相近的复合材料有望成为新一代牙齿修复材料。
该材料多级次类牙釉质结构导致的强支撑、界面增强、结构限域和应力耗散等力学行为，是实现材料具有优异力学性能的重要因素。该工作的研究为下一代生物力学性能匹配的牙修复材料以及综合力学性能更为优异的工程材料的设计合成提供了理论借鉴和设计基础。
文/北京青年报记者雷嘉
/毛羽
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