研究表明，牙釉質是人體中最強和最硬的組織，硬度僅比金剛石略低，與水晶相當，儘管厚度只有2毫米左右，但具有優異的粘彈性和韌性來抵抗外力，實現了高剛度/高粘彈、高強/高韌等多種相悖的力學效能的有機結合，從而使得牙齒能夠服役超過60年。
北航郭林教授團隊建立了一種新的合成策略，即以非晶間質相包覆羥基磷灰石奈米線作為無機相，以聚乙烯醇作為粘結劑，利用自行構建的定向冷凍裝置，實現了非晶/晶體複合奈米線與聚合物的複合及宏觀尺寸定向組裝，製備出從原子尺度到宏觀尺度皆具有類牙釉質結構的人工牙釉質，未來或可填補市場空缺。相關研究於2022年2月3日發表在Science上[1]。郭林教授表示：“在解決好基礎研究的前提下，我們會嘗試將此成果進行轉化。”
牙釉質的微觀結構
牙釉質結構剖析表明，天然牙釉質主要是由規則平行排列的羥基磷灰石（HA）奈米線（無機增強相）複合少量生物蛋白質（有機粘結劑）組裝而成，平行排列的HA奈米線間還存在著無機非晶間質層[2,3]，這種奈米尺度的無機晶體-非晶介面以及微米尺度的稜柱狀多級結構賦予了牙釉質優異的剛度和粘彈性。截至目前，只有極少數關於類牙釉質多級結構被模仿出來的報道，且只是在一定程度上繼承牙釉質的超高剛度和粘彈性[4]。
多尺度牙釉質及類牙釉質符合材料的表徵 | 參考文獻[1]
然而，由於此前的製備方法有一定侷限性，其宏觀厚度僅僅只有幾十微米，遠小於自然牙牙釉質2-2.5毫米的厚度，同時剛度也低於天然牙釉質。多尺度模仿牙釉質的多級結構以期在人造工程材料中實現甚至超越牙釉質的優異力學效能依然是一個巨大的挑戰5，特別是引入對力學效能起關鍵作用的無機非晶間質層的研究以及突破材料厚度限制的大塊類牙釉質複合材料還未見報道。
初衷及靈感來源
“開展類牙釉質複合材料的初衷有兩個。”郭林教授向果殼介紹到，“首先，我們團隊10多年來一直在從事輕質、高強、高硬、高剛度、高韌微納複合材料的設計合成與效能研究等方面的工作，以期解決傳統結構材料強度與韌性、高剛度與高粘彈性相悖的科學問題。”
牙釉質是人體最硬的組織，研究表明其兼具了高剛度和高粘彈性，同時還具有不錯的韌性，究其原因是牙釉質的微納多級結構，帶來了如此優異效能的結合。“因此，我們思索如果可以在人造微納複合材料中引入牙釉質的結構，必然可以帶來力學效能的提升。不過，調研後我們發現，當時報道的類牙釉質材料並不多，少數的幾篇報道基本上只仿生了牙釉質微米尺度平行排列的奈米線結構，對牙釉質力學效能起關鍵作用的非晶間質相以及介面調控還缺乏研究。這也就激發了我們濃厚的興趣，目標多尺度構築一種與牙釉質多級結構更為接近的微納複合材料，促進材料效能的進一步提升。”
郭林教授還告訴我們，他個人親身的經歷，也是科研靈感和科學探索產生的源泉。“記得16年開始看到國際上有一些課題組在研究人的牙釉質以及一些礦化修復牙釉質的方法，而自己也飽受口腔問題困擾，經常牙疼，當時就在想什麼時候可以用到這種最先進的技術來解決我們的口腔問題；後來，我自己的一顆牙徹底壞到不能使用了，去醫院進行治療，需要種牙，前前後後治療了將近半年多的時間，過程非常痛苦，並且我們合作的醫生也提到說目前的種植牙其效能與我們的牙齒並不匹配，使用壽命依據個體的不同, 大概也就在10年左右。如果有一顆結構、效能都與天然牙相近的牙修復材料，就可以使用壽命更長一些。”
“作為一名材料科學研究工作者，我萌生了把自己擅長的奈米技術用到牙齒修復材料的製備上，製備出效能與自然牙相似的‘人造牙’的想法，這也是我們開展後續長期研究的另一個驅動力。”
研究特色與亮點
天然生物材料表現出優異的力學效能的綜合平衡，具有傳統工程材料（金屬、陶瓷，聚合物等）強度與韌性、剛度與粘彈性無法兼得的特性，例如貝殼珍珠母的斷裂韌性比地質文石片高約3000倍；牙釉質在具有高硬度的同時，其粘彈性高出體相羥基磷灰石一個數量級。基於貝殼珍珠母多級結構設計製備的具有“磚泥”結構的複合材料2004年已經問世，並且近20年來效能有了大幅的提升，強度和韌性無法兼得的問題得到了有效的解決；但是對於牙釉質結構的仿生研究近5年才剛剛起步，還無法在人工材料中完美重現牙釉質的多級結構，實現高硬度、高剛度和高粘彈性協同共存。
類牙釉質複合材料的各項力學效能 | 參考文獻[1]
團隊研製的奈米複合材料兼具高剛度（105 GPa），高硬度（5.9 GPa），高粘彈性（VFOM，5.5 GPa），高強度（143 MPa），高韌性（7.4 MPa m1/2）等特性，優於之前報道的類牙釉質複合材料及牙釉質、骨骼、貝殼珍珠母等生物材料，充分體現了材料微結構設計對於材料效能提升的重要作用。
特別需要指出的是，多級次類牙釉質複合材料的力學效能可以透過改變其組分來調控，進而製備得到與天然牙齒效能類似的複合材料——與天然牙釉質相近的硬度和模量既能提供牙齒咀嚼所需的硬度和強度，也可保證不過度磨耗健康牙齒；優於天然牙釉質的粘彈性和韌性可以保證材料耐受更大的震動和衝擊力。我們的研究發現，多級次類牙釉質結構導致的強支撐、介面增強、結構限域和應力耗散等力學行為，是實現材料具有優異力學效能的重要因素。該工作的研究為下一代生物力學效能匹配的牙修復材料以及綜合力學效能更為優異的工程材料的設計合成提供了理論借鑑和設計基礎。
類牙釉質複合材料的結構與介面增強機制 | 參考文獻[1]
研究未來發展方向
（1）牙釉質除了具有奈米線平行排布的多級結構以外，還具有梯度結構，即牙釉質內層與外層在奈米線含量、奈米線取向等方面是不同的，是一種從裡到外連續變化的結構。這種梯度結構對材料力學效能的體現也具有重要作用，但是現階段還無法實現；此外，牙釉質的非晶層還含Mg、Fe等元素的磷酸鹽，這些特殊物質成分的富集對於牙釉質的抗腐蝕效能也至關重要。因此，進一步調控複合材料的多級次梯度結構以及物質組成，將是郭林教授團隊後續研究的重點，相關工作組內已開展，進展順利。
（2）本論文提出的類牙釉質複合材料製備工藝，可拓展至其他高效能複合材料的製備。為了滿足現實中對輕質高強高硬材料的需求，我們擬選用力學效能更優異的微奈米結構單元，輔以工程領域常用的高分子作為增韌相，製備得到新穎的碳化矽基複合材料、氧化鋯基複合材料等，實現結構和效能的定製。
（3）為了架起科研工作與實際應用的橋樑，我們將最佳化製備工藝，嘗試材料的高效擴大生產，為新一代牙齒修復材料的研發提供一種新的材料基礎，推動我國牙齒修復材料研究和應用的發展。
研究的產業化前景
牙齒修復材料是關乎億萬國民生活質量、實現全民口腔健康的關鍵材料。為了填補牙齒修復市場的空缺，亟待研發出微觀結構和力學效能與天然牙齒相匹配的類牙齒複合材料。目前我們所製備的類牙釉質複合材料已經達到了20 mm * 20 mm * 15 mm大小的宏觀塊體，也透過電腦輔助機械加工的方法對其加工效能進行了初步的驗證，可以在5分鐘內切出一顆牙冠，可加工性較強，有望成為新一代生物力學效能匹配的仿生牙冠，促進臨床用牙修復材料的迭代與效能提升。截至目前，已初步建立非晶增強的羥基磷灰石奈米線的宏量製備，結構單元的進一步放大組裝正在推進。
作為科研工作者，不能只將研究停留在基礎研究上，更應該將有意義的科研成果轉化到社會中，解決實際問題與需求。雖然一個科研成果從實驗室走向生產線需要消耗大量的人力、物力和財力，還要克服放大實驗、資金融入和市場競爭等困難。對此，郭林教授表示：“但我們想利用我們的專業知識，攻克產業化中的‘卡脖子’難題，使我們的科研成果實實在在的轉化成一個可以應用的產品，展現出真正的實際價值。”
致謝
感謝北京航空航天大學郭林教授對本文的審閱和建議。
參考文獻
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[2] Gordon, L. M.; Cohen, M. J.; MacRenaris, K. W.; Pasteris, J. D.; Seda, T.; Joester, D. Amorphous Intergranular Phases Control the Properties of Rodent Tooth Enamel. Science 2015, 347 (6223), 746–750. https://doi.org/10.1126/science.1258950.
[3] DeRocher, K. A.; Smeets, P. J. M.; Goodge, B. H.; Zachman, M. J.; Balachandran, P. V.; Stegbauer, L.; Cohen, M. J.; Gordon, L. M.; Rondinelli, J. M.; Kourkoutis, L. F.; Joester, D. Chemical Gradients in Human Enamel Crystallites. Nature 2020, 583 (7814), 66–71. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2433-3.
[4] Yeom, B.; Sain, T.; Lacevic, N.; Bukharina, D.; Cha, S.-H.; Waas, A. M.; Arruda, E. M.; Kotov, N. A. Abiotic Tooth Enamel. Nature 2017, 543 (7643), 95–98. https://doi.org/10.1038/nature21410.
[5] Wei, J.; Ping, H.; Xie, J.; Zou, Z.; Wang, K.; Xie, H.; Wang, W.; Lei, L.; Fu, Z. Bioprocess-Inspired Microscale Additive Manufacturing of Multilayered TiO2/Polymer Composites with Enamel-Like Structures and High Mechanical Properties. Adv. Funct. Mater. 2020, 30 (4), 1904880. https://doi.org/10.1002/adfm.201904880.
作者：郭林教授團隊
編輯：靳小明 酥魚
研究團隊
通訊作者郭林：北京航空航天大學教授，博士生導師，教育部長江學者獎勵計劃特聘教授；國家傑出青年基金、國務院政府特殊津貼、寶鋼優秀教師獎獲得者。2001年北京航空航天大學首批校長直聘教授，現為教育部仿生智慧介面科學與技術教育部重點實驗室副主任。研究方向集中在非晶/晶體奈米材料的可控合成、仿生可控組裝技術、奈米材料生物應用技術等。先後承擔國家傑出青年基金、國家自然科學基金重點基金、國家“863”專案、國家“973”課題、國家重點研發計劃等多項課題。在Nature,Science,Nat. Catal.,Chem. Soc. Rev.,Nat. Commun.,J. Am. Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.,Adv. Mater.,Nano Letters等國際刊物發表SCI收錄論文300餘篇。2013年獲得國家自然科學二等獎。
郭林教授
（共同）第一作者趙赫威：北京航空航天大學副教授、博士生導師，圍繞微奈米材料的設計、製備、效能表徵、機理揭示、應用探索等方面開展了系統的研究。在Science、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等國內外學術期刊發表SCI論文25篇，EI論文1篇，ESI高被引論文1篇，他引700餘次。授權國內發明專利5項，主持了國家自然基金面上專案、青年基金專案，作為骨幹參與科技部國家重點研發計劃等重大專案及科工局、軍委科技委多個“產學研”專案。
趙赫威副教授
（共同）第一作者嶽永海：北京航空航天大學化學學院教授，教育部高層次人才計劃“特聘教授”，主要從事結構材料強韌化機制的原位機理研究及效能表徵，構建多尺度材料力學效能表徵實驗平臺，研究效能與結構間的構效關係，設計效能更為優越的新型輕質高強結構材料。曾獲得國家優青、中國十大科技新銳、北京市科技一等獎等榮譽，北京航空航天大學第二批青年拔尖人才支援計劃獲得者。近年來，在Nature,Science，Nat. Commun.等期刊上發表SCI論文40餘篇，授權中國專利34項。承擔國家自然科學基金優秀青年基金、面上基金等專案。
嶽永海教授
郭林教授課題組合影
論文資訊
釋出期刊《科學》Science
釋出時間2022年2月3日
文章標題 Multiscale engineered artificial tooth enamel
（DOI：10.1126/science.abj3343）
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