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。

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（Nicholas A. 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》（Multiscale engineered artificial tooth enamel）为题在 Science 上发表，郭林担任通讯作者。



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（directed assembly），制备出拥有类牙釉质结构的 HA 基复合材料。



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。

研究者通过调控类牙釉质复合材料的微结构、物质组成以及比例，可以调控类牙釉质复合材料的力学性能，使其性能与天然牙釉质匹配。匹配的性能不仅能够从硬度和强度方面支撑牙齿咀嚼功能，还可以让健康牙齿减少损耗，并具有更强的耐受力。

制备的类牙釉质复合材料具有可加工性，用不到 5 分钟的时间就能磨削出一颗仿生牙冠，并有潜力达到新一代牙齿材料所需的生物力学性能，为临床用牙修复材料的迭代与性能提升提供了可能。

此外，这种类牙釉质复合材料的力学性能表现出色，在工程材料领域有一定的潜在应用前景，如可以作为良好的阻尼材料起到有效减震的作用。



图 | 类牙釉质复合材料的力学性能（来源：Science）

郭林介绍，该研究一路走来，实属不易。从最开始调研立项到最终顺利发表论文，他们历经了 5 年多的协同攻关。

而支撑他完成这项研究的源动力，不仅有其作为一名科研工作者对高性能工程材料的不断探索和追求，还有亲身经历带来的重要科研灵感。

郭林谈到，他自己也深受口腔问题的困扰。之前，他有一颗牙彻底受损，只能去医院接受种牙，并历经了半年多的治疗，十分痛苦。当时，他就在想什么时候可以用到这种先进技术来解决人们的口腔问题。

而且，目前临床使用的种植牙其实与我们的天然牙齿并不十分匹配，且使用寿命约在 10 年左右。若能够研发出与天然牙釉质的结构及性能类似的牙修复材料，将大大提升种植牙的使用寿命。



图 | 郭林教授（来源：郭林）

郭林介绍说，“作为一名材料科学领域的研究工作者，我萌生了把自己擅长的纳米技术运用在牙齿修复材料上的想法，这也是我们后续长期研究的开端。”

他介绍说，除多级结构外，牙釉质还具有从内到外纳米线含量、纳米线取向等都在连续变化的梯度结构。该梯度结构在材料的力学性能方面起到了重要作用，不过现阶段距离实现还较远。

郭林教授表示，下一步团队将把重心转到复合材料成分与多级次梯度结构的调配控制研究上，通过优化制备工艺，尝试多级次梯度结构材料的宏量制备，为新一代牙齿修复材料的研发提供一种新的材料基础，推动中国牙齿修复材料研究和应用的发展。

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参考：

1.Hewei Zhao et al. Multiscale engineered artificial tooth enamel. Science Vol 375, Issue 6580（2022）https://doi.org/10.1126/science.abj3343