恰逢冬奥盛世，北航又传喜报
我校化学学院郭林教授团队
与合作者的研究成果登上《Science》杂志
该成果为人造牙釉质的宏观组装
提供了一种新的工程设计方法和途径
所设计的仿生复合材料不仅保留了
生物原型的结构复杂性
并且实现了高刚度、硬度、强度
粘弹性和韧性的完美结合
被称作“史上最强人造牙釉质”
2022年2月4日，《Science》刊发了北京航空航天大学化学学院郭林教授团队及合作者在类牙釉质复合材料的制备及性能方面取得的重要研究成果“Multiscale engineered artificial tooth enamel（多尺度构筑人工牙釉质）”。此项研究是在国家重点研发计划（批准号：2020YFA0710403, 2020YFA0710401）和国家自然科学基金项目（批准号：51532001, 51772011）等资助下完成。
修复牙釉质，堪称是仿生领域一项最“硬核”的挑战。虽然可以通过生物矿化、无机模板合成等方法仿生天然牙釉质的结构，但是由于牙釉质结构的复杂性，目前还无法有效获得与天然釉质多级结构相同的大面积修复层，也并未复刻天然牙齿的各项性能。
第一作者：赵赫威副教授、刘少佳博士、
卫彦教授、岳永海教授
通讯作者：郭林教授、邓旭亮教授、
Nicholas A. Kotov教授
第一完成单位：北京航空航天大学
牙釉质是人体中最硬和最强的组织，且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，实现了高硬、高弹、高强、高韧等多种相悖的力学性能的结合。牙釉质主要是由规则平行排列的羟基磷灰石纳米线复合少量生物蛋白质组装而成，牙釉质结构的精细解析（Science，2015，347，46；Nature，2020，583，66）表明羟基磷灰石纳米线间还具有无机非晶间质层，这种多级微纳结构是造成牙釉质具有此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的方法，以及无机非晶纳米材料在制备及形貌调控方面的技术瓶颈，多尺度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。
郭林教授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。具体来讲，通过水热法设计合成了与牙釉质釉柱微观尺寸接近的羟基磷灰石纳米线；通过合理调控材料的生长与成核，实现了非晶氧化锆陶瓷层在羟基磷灰石纳米线表面的均匀生长，模仿了天然牙釉质的无机非晶间质层；合理改进定向冷冻装置，实现了晶体/非晶复合纳米线与聚合物的复合及宏观尺寸可控组装，制备得到了从原子尺度到宏观尺度皆具有类牙釉质结构的人工牙釉质。
图1. 多尺度类牙釉质复合材料的设计合成及微结构表征
制备的多级次类牙釉质复合材料，兼具高刚度（105GPa），高硬度（5.9GPa），高粘弹性（VFOM，5.5GPa），高强度（143MPa），高韧性（7.4MPa m1/2）等特性，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， 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。特别需要指出的是，多级次类牙釉质复合材料的力学性能可以通过改变其组分来调控，进而制备得到性能与天然牙齿接近的复合材料：与天然牙釉质相近的硬度和模量既能提供牙齿咀嚼所需的硬度和强度，也能够保证不过度磨耗健康牙齿；优于天然牙釉质的粘弹性和韧性可以保证材料耐受更大的震动和冲击力。该结构与性能与天然牙釉质相近的复合材料有望成为新一代牙齿修复材料。
图2. 类牙釉质复合材料的力学性能
该材料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。该工作的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。
图3. 类牙釉质复合材料的结构限域与界面增强机制
论文链接：
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郭林
北京航空航天大学教授
博士生导师
教育部长江学者奖励计划特聘教授；国家杰出青年基金、国务院政府特殊津贴、宝钢优秀教师奖获得者；2001年北京航空航天大学首批校长直聘教授，现为教育部仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室副主任。研究方向集中在非晶/晶体纳米材料的可控合成、仿生可控组装技术、纳米材料生物应用技术等。先后承担国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点基金、国家“863”项目、国家“973”课题、国家重点研发计划等多项课题。在Nature, Science, Nat. Catal., Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Letters等国际刊物发表SCI收录论文300余篇。2013年获得国家自然科学二等奖。
岳永海
北京航空航天大学教授
教育部高层次人才计划“特聘教授”，主要从事结构材料强韧化机制的原位机理研究及新型轻质高强复合材料的设计及性能表征，构建多尺度材料力学性能表征实验平台，研究性能与结构间的构效关系，设计性能更为优越的新型轻质高强结构材料。曾获得国家优青、中国十大科技新锐、北京市科技一等奖等荣誉，北京航空航天大学第二批青年拔尖人才支持计划获得者。近年来，在Nature, Science，Nature Communications等期刊上发表SCI论文40余篇，授权中国专利34项。承担国家自然科学基金优秀青年基金、面上基金等项目。
赵赫威
北京航空航天大学副教授
博士生导师
围绕微纳米材料的设计、制备、性能表征、机理揭示、应用探索等方面开展了系统的研究。在国内外学术期刊发表SCI论文25篇，EI论文1篇，ESI高被引论文1篇，包括1篇Science，5篇Adv. Mater.和1篇Angew. Chem. Int. Ed.，他引700余次。授权国内发明专利5项，主持了国家自然基金面上项目、青年基金项目，作为骨干参与科技部国家重点研发计划等重大项目及科工局、军委科技委多个“产学研”项目。
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出品 | 航小萱?工作室
素材来源｜北航化学学院
编辑 | 雷东岳 胡译文
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