图1 多尺度类牙釉质复合材料的设计合成及微结构表征
图2 类牙釉质复合材料的力学性能
在国家自然科学基金项目（批准号：51532001、51772011）等资助下，北京航空航天大学化学学院郭林教授团队与合作者在类牙釉质复合材料研究方面取得进展，研究成果以“多尺度构筑人工牙釉质（Multiscale engineered artificial tooth enamel）”为题，于2022年2月4日在线发表于《科学》（Science）期刊上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3343。
牙釉质是人体中最硬和最强的组织，具有优异的粘弹性和韧性来抵抗咀嚼过程中的震动及冲击力，兼具高硬、高弹、高强、高韧等多种相悖的力学性能。牙釉质主要是由规则平行排列的羟基磷灰石纳米线、无机非晶间质层及少量生物蛋白质组装而成，这种多级微纳结构是其具有优异力学性能的关键。由于缺乏一维纳米线的宏观尺寸可控组装方法，以及无机非晶纳米材料的有效调控技术，模仿牙釉质的多级结构以期在人造工程材料中实现甚至超过牙釉质的优异力学性能是一个巨大的挑战，特别是引入对力学性能起关键作用的非晶间质层的研究还未见报道。
研究团队设计了基于纳米结构单元的宏量合成及可控组装的多尺度类牙釉质复合材料合成路线，实现了迄今为止与牙釉质结构最为相近的类牙釉质复合材料的可控制备，首次实现了具有类牙釉质非晶间质层的复合材料的仿生合成（图1）。制备的多级次类牙釉质复合材料，兼具高刚度（105 GPa）、高硬度（5.9 GPa）、高粘弹性（5.5 GPa）、高强度（143 MPa）、高韧性（7.4 MPa m1/2）等特性（图2），优于之前报道的类牙釉质复合材料及牙釉质、骨骼、贝壳珍珠母等生物材料。这种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，充分体现了材料微结构设计对于材料性能提升的重要作用，是材料具有优异力学性能的重要因素。
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借鉴，有望成为新一代牙齿修复材料。