蛀牙“救星”出現(xiàn)！　人工牙釉質(zhì)材料性能超越天然牙釉質(zhì)

近日，北京航空航天大學(xué)聯(lián)合北大口腔醫(yī)院的鄧旭亮教授、美國(guó)密歇根大學(xué)生物界面研究所的尼可拉斯·卡托夫教授團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出一種具有多尺度高度有序羥基磷灰石（HA）層次結(jié)構(gòu)的人造牙釉質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了天然牙的成分、結(jié)構(gòu)以及性能的完美復(fù)制。在剛度、硬度、粘彈性、強(qiáng)度、韌性等方面，其綜合性能甚至超過(guò)天然牙釉質(zhì)。

北京航空航天大學(xué)的化學(xué)學(xué)院教授郭林表示，“該研究為下一代生物力學(xué)性能匹配的牙修復(fù)材料以及綜合力學(xué)性能更為優(yōu)異的工程材料的設(shè)計(jì)合成提供了理論借鑒和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)?！?/p>

相關(guān)論文以《多尺度構(gòu)筑人造牙釉質(zhì)》為題在《自然·科學(xué)》上發(fā)表，郭林擔(dān)任通訊作者。

天然牙釉質(zhì)有獨(dú)特的微米尺度棱柱狀多級(jí)結(jié)構(gòu)，因而具備出色的剛度和粘彈性。

此前，已有部分模仿出類(lèi)似牙釉質(zhì)多級(jí)結(jié)構(gòu)的研究，如卡托夫團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的ZnO基復(fù)合材料，該類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料表現(xiàn)出與天然牙釉質(zhì)相似的粘彈性，但厚度和剛度遠(yuǎn)低于天然牙釉質(zhì)。

另外，武漢理工大學(xué)傅正義課題組曾利用水熱法合成出氧化鈦基類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料，其剛度接近于天然牙釉質(zhì)，但是厚度仍然小于天然牙釉質(zhì)，且微結(jié)構(gòu)是納米管的平行排列，與天然牙釉質(zhì)中納米線的排列有一定的差異。

郭林教授解釋?zhuān)骸岸嗉?jí)次類(lèi)牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的強(qiáng)支撐、界面增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)限域和應(yīng)力耗散等力學(xué)行為，是實(shí)現(xiàn)材料具有優(yōu)異力學(xué)性能的重要因素?！?/p>

在確定了多尺度類(lèi)天然牙釉質(zhì)制備的目標(biāo)后，研究人員首先考慮的就是材料的物質(zhì)成分以及采用何種制備策略去實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

根據(jù)牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)，他們選擇牙釉質(zhì)中占比較大的HA作為材料的主要成分，輔以生物力學(xué)性能優(yōu)良的氧化鋯陶瓷和聚乙烯醇來(lái)模仿牙釉質(zhì)的無(wú)機(jī)非晶間質(zhì)層和有機(jī)粘結(jié)劑，使其在物質(zhì)組成上與天然牙釉質(zhì)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(zhì)釉柱相近的HA納米線，通過(guò)對(duì)材料成核與生長(zhǎng)過(guò)程的調(diào)控，合成出天然牙釉質(zhì)的無(wú)機(jī)非晶間質(zhì)層。

多尺度類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)合成及微結(jié)構(gòu)表征

基于冰晶的可控生長(zhǎng)理論，以該晶體/非晶復(fù)合納米線為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，利用自行設(shè)計(jì)的裝置，實(shí)現(xiàn)了非晶/晶體復(fù)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(lèi)牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的HA基復(fù)合材料。

研究人員利用多種先進(jìn)的表征技術(shù)對(duì)類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料性能進(jìn)行了表征，反饋指導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化，并揭示了機(jī)理。

類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能

基于納米壓痕、三點(diǎn)彎曲測(cè)試等研究獲得的材料模量、硬度、強(qiáng)度、粘彈性、韌性等力學(xué)信息。

研究者通過(guò)調(diào)控類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成以及比例，可以調(diào)控類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能，使其性能與天然牙釉質(zhì)匹配。匹配的性能不僅能夠從硬度和強(qiáng)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(qiáng)的耐受力。

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

此外，這種類(lèi)牙釉質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出色，在工程材料領(lǐng)域有一定的潛在應(yīng)用前景，如可以作為良好的阻尼材料起到有效減震的作用。

郭林教授

郭林介紹，該研究一路走來(lái)，實(shí)屬不易。從最開(kāi)始調(diào)研立項(xiàng)到最終順利發(fā)表論文，他們歷經(jīng)了5年多的協(xié)同攻關(guān)。

而支撐他完成這項(xiàng)研究的源動(dòng)力，不僅有其作為一名科研工作者對(duì)高性能工程材料的不斷探索和追求，還有親身經(jīng)歷帶來(lái)的重要科研靈感。

郭林談到，他自己也深受口腔問(wèn)題的困擾。之前，他有一顆牙徹底受損，只能去醫(yī)院接受種牙，并歷經(jīng)了半年多的治療，十分痛苦。當(dāng)時(shí)，他就在想什么時(shí)候可以用到這種先進(jìn)技術(shù)來(lái)解決人們的口腔問(wèn)題。

而且，目前臨床使用的種植牙其實(shí)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(fā)出與天然牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性能類(lèi)似的牙修復(fù)材料，將大大提升種植牙的使用壽命。

郭林介紹說(shuō)，“作為一名材料科學(xué)領(lǐng)域的研究工作者，我萌生了把自己擅長(zhǎng)的納米技術(shù)運(yùn)用在牙齒修復(fù)材料上的想法，這也是我們后續(xù)長(zhǎng)期研究的開(kāi)端?！?/p>

他介紹說(shuō)，除多級(jí)結(jié)構(gòu)外，牙釉質(zhì)還具有從內(nèi)到外納米線含量、納米線取向等都在連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)。該梯度結(jié)構(gòu)在材料的力學(xué)性能方面起到了重要作用，不過(guò)現(xiàn)階段距離實(shí)現(xiàn)還較遠(yuǎn)。

郭林教授表示，下一步團(tuán)隊(duì)將把重心轉(zhuǎn)到復(fù)合材料成分與多級(jí)次梯度結(jié)構(gòu)的調(diào)配控制研究上，通過(guò)優(yōu)化制備工藝，嘗試多級(jí)次梯度結(jié)構(gòu)材料的宏量制備，為新一代牙齒修復(fù)材料的研發(fā)提供一種新的材料基礎(chǔ)，推動(dòng)中國(guó)牙齒修復(fù)材料研究和應(yīng)用的發(fā)展。（綜合整理報(bào)道）（編輯/克珂）