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)

作為人類擁有的最“強硬”組織，牙釉質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)也就成為了口腔醫(yī)療領(lǐng)域的一大“硬核”難題。

近日，北京航空航天大學聯(lián)合北大口腔醫(yī)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(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)，實現(xiàn)了天然牙的成分、結(jié)構(gòu)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(zhì)。

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(yōu)異的工程材料的設(shè)計合成提供了理論借鑒和設(shè)計基礎(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》上發(fā)表，郭林擔任通訊作者。

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

此前，已有部分模仿出類似牙釉質(zhì)多級結(jié)構(gòu)的研究，如卡托夫團隊研發(fā)出的ZnO基復合材料，該類牙釉質(zhì)復合材料表現(xiàn)出與天然牙釉質(zhì)相似的粘彈性，但厚度和剛度遠低于天然牙釉質(zhì)。

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(zhì)復合材料，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：“多級次類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)導致的強支撐、界面增強、結(jié)構(gòu)限域和應力耗散等力學行為，是實現(xiàn)材料具有優(yōu)異力學性能的重要因素?！?/p>

郭林教授

在確定了多尺度類天然牙釉質(zhì)制備的目標后，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現(xiàn)的問題。

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，輔以生物力學性能優(yōu)良的氧化鋯陶瓷和聚乙烯醇來模仿牙釉質(zhì)的無機非晶間質(zhì)層和有機粘結(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，通過對材料成核與生長過程的調(diào)控，合成出天然牙釉質(zhì)的無機非晶間質(zhì)層。

多尺度類牙釉質(zhì)復合材料的設(shè)計合成及微結(jié)構(gòu)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(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，利用自行設(shè)計的裝置，實現(xiàn)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(zhì)結(jié)構(gòu)的HA基復合材料。

研究人員利用多種先進的表征技術(shù)對類牙釉質(zhì)復合材料性能進行了表征，反饋指導材料結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)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(diào)控類牙釉質(zhì)復合材料的微結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成以及比例，可以調(diào)控類牙釉質(zhì)復合材料的力學性能，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(zhì)復合材料的力學性能

制備的類牙釉質(zhì)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(zhì)復合材料的力學性能表現(xiàn)出色，在工程材料領(lǐng)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(diào)研立項到最終順利發(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(jīng)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(yī)院接受種牙，并歷經(jīng)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(shù)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(fā)出與天然牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的研究工作者，我萌生了把自己擅長的納米技術(shù)運用在牙齒修復材料上的想法，這也是我們后續(xù)長期研究的開端?！?/p>

他介紹說，除多級結(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)在材料的力學性能方面起到了重要作用，不過現(xiàn)階段距離實現(xiàn)還較遠。

郭林教授表示，下一步團隊將把重心轉(zhuǎn)到復合材料成分與多級次梯度結(jié)構(gòu)的調(diào)配控制研究上，通過優(yōu)化制備工藝，嘗試多級次梯度結(jié)構(gòu)材料的宏量制備，為新一代牙齒修復材料的研發(fā)提供一種新的材料基礎(chǔ)，推動中國牙齒修復材料研究和應用的發(fā)展。