蛀牙“救星”出现！北航团队研发出人工牙釉质材料，性能超越天然牙釉质作为人类拥有的最“强硬”组

作为人类拥有的最“强硬”组织，牙釉质一般情况下有超过60年的使用寿命，且同时拥有高刚度/高粘弹、高强/高韧等多种相悖的性能。
【蛀牙“救星”出现！北航团队研发出人工牙釉质材料，性能超越天然牙釉质】然而，牙釉质从生成起就处于不断缓慢消耗的过程中，人体摄入食物中的糖和酸等成分还在加速这个过程。令许多人头疼的蛀牙，都始于牙釉质受损。此外，需要注意的是，该组织高度矿化，基本无再生的可能。
因此，如何修复牙釉质也就成为了口腔医疗领域的一大“硬核”难题。
近日，北京航空航天大学联合北大口腔医院的邓旭亮教授、美国密歇根大学生物界面研究所的尼可拉斯?卡托夫（NicholasA.Kotov）教授团队，研发出一种具有多尺度高度有序羟基磷灰石（HA）层次结构的人造牙釉质，实现了天然牙的成分、结构以及性能的完美复刻。在刚度、硬度、粘弹性、强度、韧性等方面，其综合性能甚至超过天然牙釉质。
北京航空航天大学的化学学院教授郭林表示， “该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。 ”
相关论文以《多尺度构筑人造牙釉质》（Multiscaleengineeredartificialtoothenamel）为题在Science上发表，郭林担任通讯作者。

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图|相关论文（来源：Science）
天然牙釉质有独特的微米尺度棱柱状多级结构，因而具备出色的刚度和粘弹性。
此前，已有部分模仿出类牙釉质多级结构的研究，如卡托夫团队研发出的ZnO基复合材料，该类牙釉质复合材料表现出与天然牙釉质相似的粘弹性，但厚度和刚度远低于天然牙釉质。
另外，武汉理工大学傅正义课题组曾利用水热法合成出氧化钛基类牙釉质复合材料，其刚度接近于天然牙釉质，但是厚度仍然小于天然牙釉质，且微结构是纳米管的平行排列，与天然牙釉质中纳米线的排列有一定的差异。
郭林教授解释：“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。 ”
在确定了多尺度类天然牙釉质制备的目标后，研究人员首先考虑的就是材料的物质成分以及采用何种制备策略去实现的问题。
根据牙釉质结构，他们选择牙釉质中占比较大的HA作为材料的主要成分，辅以生物力学性能优良的氧化锆陶瓷和聚乙烯醇来模仿牙釉质的无机非晶间质层和有机粘结剂，使其在物质组成上与天然牙釉质相近。
其次是合成策略的确定，研究人员先以水热法合成出在微观尺寸上与牙釉质釉柱相近的HA纳米线，通过对材料成核与生长过程的调控，合成出天然牙釉质的无机非晶间质层。
基于冰晶的可控生长理论，以该晶体/非晶复合纳米线为基础结构单元，利用自行设计的装置，实现了非晶/晶体复合纳米线及聚乙烯醇聚合物在宏观尺度上的定向组装（directedassembly），制备出拥有类牙釉质结构的HA基复合材料。

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图|多尺度类牙釉质复合材料的设计合成及微结构表征（来源：Science）
研究人员利用多种先进的表征技术对类牙釉质复合材料性能进行了表征，反馈指导材料结构、性能优化，并揭示了机理。
基于纳米压痕、三点弯曲测试等研究获得的材料模量、硬度、强度、粘弹性、韧性等力学信息。