蛀牙“救星”出現！人工牙釉質材料性能超越天然牙釉質

作為人類擁有的最“強硬”組織，牙釉質一般情況下有超過60年的使用壽命，且同時擁有高剛度/高粘彈、高強/高韌等多種相悖的性能。

然而，牙釉質從生成起就處于不斷緩慢消耗的過程中，人體攝入食物中的糖和酸等成分還在加速這個過程。令許多人頭疼的蛀牙，都始于牙釉質受損。此外，需要注意的是，該組織高度礦化，基本無再生的可能。

因此，如何修復牙釉質也就成為了口腔醫療領域的一大“硬核”難題。

近日，北京航空航天大學聯合北大口腔醫院的鄧旭亮教授、美國密歇根大學生物界面研究所的尼可拉斯·卡托夫教授團隊，研發出一種具有多尺度高度有序羥基磷灰石（HA）層次結構的人造牙釉質，實現了天然牙的成分、結構以及性能的完美復制。在剛度、硬度、粘彈性、強度、韌性等方面，其綜合性能甚至超過天然牙釉質。

北京航空航天大學的化學學院教授郭林表示，“該研究為下一代生物力學性能匹配的牙修復材料以及綜合力學性能更為優異的工程材料的設計合成提供了理論借鑒和設計基礎。”

相關論文以《多尺度構筑人造牙釉質》為題在《自然·科學》上發表，郭林擔任通訊作者。

天然牙釉質有獨特的微米尺度棱柱狀多級結構，因而具備出色的剛度和粘彈性。

此前，已有部分模仿出類似牙釉質多級結構的研究，如卡托夫團隊研發出的ZnO基復合材料，該類牙釉質復合材料表現出與天然牙釉質相似的粘彈性，但厚度和剛度遠低于天然牙釉質。

另外，武漢理工大學傅正義課題組曾利用水熱法合成出氧化鈦基類牙釉質復合材料，其剛度接近于天然牙釉質，但是厚度仍然小于天然牙釉質，且微結構是納米管的平行排列，與天然牙釉質中納米線的排列有一定的差異。

郭林教授解釋：“多級次類牙釉質結構導致的強支撐、界面增強、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性能的重要因素。”

郭林教授

在確定了多尺度類天然牙釉質制備的目標后，研究人員首先考慮的就是材料的物質成分以及采用何種制備策略去實現的問題。

根據牙釉質結構，他們選擇牙釉質中占比較大的HA作為材料的主要成分，輔以生物力學性能優良的氧化鋯陶瓷和聚乙烯醇來模仿牙釉質的無機非晶間質層和有機粘結劑，使其在物質組成上與天然牙釉質相近。

其次是合成策略的確定，研究人員先以水熱法合成出在微觀尺寸上與牙釉質釉柱相近的HA納米線，通過對材料成核與生長過程的調控，合成出天然牙釉質的無機非晶間質層。

多尺度類牙釉質復合材料的設計合成及微結構表征

基于冰晶的可控生長理論，以該晶體/非晶復合納米線為基礎結構單元，利用自行設計的裝置，實現了非晶/晶體復合納米線及聚乙烯醇聚合物在宏觀尺度上的定向組裝，制備出擁有類牙釉質結構的HA基復合材料。

研究人員利用多種先進的表征技術對類牙釉質復合材料性能進行了表征，反饋指導材料結構、性能優化，并揭示了機理。

基于納米壓痕、三點彎曲測試等研究獲得的材料模量、硬度、強度、粘彈性、韌性等力學信息。

研究者通過調控類牙釉質復合材料的微結構、物質組成以及比例，可以調控類牙釉質復合材料的力學性能，使其性能與天然牙釉質匹配。匹配的性能不僅能夠從硬度和強度方面支撐牙齒咀嚼功能，還可以讓健康牙齒減少損耗，并具有更強的耐受力。

類牙釉質復合材料的力學性能

制備的類牙釉質復合材料具有可加工性，用不到5分鐘的時間就能磨削出一顆仿生牙冠，并有潛力達到新一代牙齒材料所需的生物力學性能，為臨床用牙修復材料的迭代與性能提升提供了可能。

此外，這種類牙釉質復合材料的力學性能表現出色，在工程材料領域有一定的潛在應用前景，如可以作為良好的阻尼材料起到有效減震的作用。

郭林介紹，該研究一路走來，實屬不易。從最開始調研立項到最終順利發表論文，他們歷經了5年多的協同攻關。

而支撐他完成這項研究的源動力，不僅有其作為一名科研工作者對高性能工程材料的不斷探索和追求，還有親身經歷帶來的重要科研靈感。

郭林談到，他自己也深受口腔問題的困擾。之前，他有一顆牙徹底受損，只能去醫院接受種牙，并歷經了半年多的治療，十分痛苦。當時，他就在想什么時候可以用到這種先進技術來解決人們的口腔問題。

而且，目前臨床使用的種植牙其實與我們的天然牙齒并不十分匹配，且使用壽命約在10年左右。若能夠研發出與天然牙釉質的結構及性能類似的牙修復材料，將大大提升種植牙的使用壽命。

郭林介紹說，“作為一名材料科學領域的研究工作者，我萌生了把自己擅長的納米技術運用在牙齒修復材料上的想法，這也是我們后續長期研究的開端。”

他介紹說，除多級結構外，牙釉質還具有從內到外納米線含量、納米線取向等都在連續變化的梯度結構。該梯度結構在材料的力學性能方面起到了重要作用，不過現階段距離實現還較遠。

郭林教授表示，下一步團隊將把重心轉到復合材料成分與多級次梯度結構的調配控制研究上，通過優化制備工藝，嘗試多級次梯度結構材料的宏量制備，為新一代牙齒修復材料的研發提供一種新的材料基礎，推動中國牙齒修復材料研究和應用的發展。