2022年2月4日，北京航空航天大學化學學院郭林教授團隊及合作者在類牙釉質復合材料的制備及性能研究方面取得了重要的進展。相關工作以“多尺度構筑人工牙釉質(Multiscale engineered artificial tooth enamel)”為題在線發表于Science期刊上。北航化學學院趙赫威副教授為文章的第一作者，2017級博士生劉少佳，北大口腔醫院衛彥教授和北航化學學院岳永海教授為共同第一作者，郭林教授為通訊作者，北大口腔醫院鄧旭亮教授和美國密歇根大學Nicholas A. Kotov教授為共同通訊作者，北京航空航天大學為第一完成單位。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3343

牙釉質是人體中最硬和最強的組織，且具有優異的粘彈性和韌性來抵抗咀嚼過程中的震動及沖擊力，實現了高硬、高彈、高強、高韌等多種相悖的力學性能的結合。牙釉質主要是由規則平行排列的羥基磷灰石納米線復合少量生物蛋白質組裝而成，進一步的研究（Science, 2015,347, 746;Nature, 2020,583, 66）發現羥基磷灰石納米線間還具有無機非晶間質層，這種多級微納結構是造成牙釉質具有此優異力學性能的關鍵。由于缺乏一維納米線的宏觀尺寸可控組裝的方法，以及無機非晶納米材料在制備及形貌調控方面的技術瓶頸，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過牙釉質的優異力學性能是一個巨大的挑戰，特別是引入對力學性能起關鍵作用的非晶間質層的研究還未見報道。

郭林教授研究團隊，設計了基于“納米結構單元的宏量合成及可控組裝”的多尺度類牙釉質復合材料合成路線，實現了迄今為止與牙釉質結構最為相近的類牙釉質復合材料的可控制備。具體來講，通過水熱法設計合成了與牙釉質釉柱微觀尺寸接近的羥基磷灰石納米線；通過合理調控材料的生長與成核，實現了非晶氧化鋯陶瓷層在羥基磷灰石納米線表面的均勻生長，模仿了天然牙釉質的無機非晶間質層；合理改進定向冷凍裝置，實現了晶體/非晶復合納米線與聚合物的復合及宏觀尺寸可控組裝，制備得到了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。

圖1多尺度類牙釉質復合材料的設計合成及微結構表征。

制備的多級次類牙釉質復合材料，兼具高剛度（105GPa），高硬度（5.9GPa），高粘彈性（VFOM，5.5GPa），高強度（143MPa），高韌性（7.4MPa m1/2）等特性，優于之前報道的類牙釉質復合材料及牙釉質、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于材料性能提升的重要作用。特別需要指出的是，多級次類牙釉質復合材料的力學性能可以通過改變其組分來調控，進而制備得到性能與天然牙齒接近的復合材料：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，也能夠保證不過度磨耗健康牙齒；優于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沖擊力。該結構與性能與天然牙釉質相近的復合材料有望成為新一代牙齒修復材料。

圖2類牙釉質復合材料的力學性能。

該材料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。該工作的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。

圖3類牙釉質復合材料的結構限域與界面增強機制。

這項工作得到了國家重點研發計劃（批準號：2020YFA0710403, 2020YFA0710401）和國家自然科學基金項目（批準號：51532001, 51772011）等的資助。