化学学院郭林教授和江雷院士团队及合作者在多级次仿生牙釉质复合材料研究方面取得最新进展

点击数: | 加入时间:2024-11-25

凯时KB88新闻网11月25日电（通讯员康建新）在国家重点研发计划（批准号：2020YFAg0710403）和国家自然科学基金项目（批准号：52222203, 52073008）等资助下，化学学院郭林教授和江雷院士团队及合作者在多级次仿生牙釉质复合材料的制备及性能研究方面取得了重要的进展。2024年11月24日，相关工作以“Hierarchically mimickinouter tooth enamel for restorative mechanical compatibility”为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。化学学院博士生卢峻峰为文章的第一作者，北大口腔医院邓菁菁博士后、卫彦教授和化学学院杨修逸博士后为共同第一作者，化学学院郭林教授、江雷院士、赵赫威教授和北大口腔医院邓旭亮教授为共同通讯作者，凯时KB88为第一完成单位。

牙釉质是一种具备独特结构的天然生物材料，包裹在牙齿的外表面，是实现牙齿咀嚼功能和保护牙齿内部结构的关键。遗憾的是，牙釉质的成熟和矿化仅在发育过程中完成，一旦受到损伤或破坏后将无法再生，因而亟需研发牙修复材料。目前的牙修复材料因其内部结构组分简单，其力学性能与天然牙釉质不匹配，导致治疗效果有待进一步改善。例如，常用的氧化锆陶瓷牙修复材料，它的硬度和模量较好，可以满足咀嚼的需求，但是其韧性和粘弹性不足，易崩瓷，且硬度是天然牙釉质的5-10倍，严重的力学失配会对健康牙齿造成严重的磨损；常用的树脂牙修复材料，它的韧性较好，但是其强度和刚度不足，难以满足咀嚼对材料性能的需求。如何研发具有与天然牙釉质匹配的力学性能（刚度、硬度、粘弹性等）的牙修复材料是一个巨大的挑战。

本研究发展了一种基于可控离子水解、湿法纺丝以及磁场辅助双向冷冻技术的三步走策略，以表面包覆非晶Mg3(PO4)2和FePO4的羟基磷灰石纳米线（HA@Mg/Fe-AIP）为基本结构单元，利用湿法纺丝技术进行预组装得到微米簇；以聚乙烯醇为有机相对微米簇进行磁场辅助双向冷冻组装，最终得到具有和天然牙釉质多级次结构及无机组分高度一致的类牙釉质复合材料（HEA）。

图1 HEA和天然牙釉质的结构对比

研制的HEA和天然牙釉质之间的结构和组分高度相似，表现出和天然牙釉质匹配的刚度（84.3 GPa）、硬度（3.9 GPa）、粘弹性（4.2 GPa），在实现良好咀嚼功能的同时不损伤健康牙釉质，性能优于现有牙修复材料以及文献报道的其他类牙釉质材料，实现了生物力学性能的匹配。

图2 HEA和天然牙釉质力学性能的匹配性

HEA在循环接触疲劳试验和刷牙试验中表现出优异的耐久性，这主要归因于材料内部的多级次界面强化作用（有机/无机界面、晶体/非晶界面、有机/有机界面）；生物学实验进一步表明HEA具有良好生物相容性和抗菌粘附性，验证了材料在牙修复方面的巨大应用潜力。

图3 HEA材料的循环疲劳试验及多级次界面增强分析

HEA的多级次结构，可以同时诱导内部的纳米线和微米簇发生滑移和拔出以耗散能量，行程了多级次的力学耗散路径，，使得q其表现出优异的比强度（101 MPa/(g/cm3 )）和比韧性（15.2 MPa·m1/2/(g/cm3 )），优于常见的工程材料、生物材料以及文献报道的羟基磷灰石基复合材料，进一步证实了所研发材料多级次结构设计的优越性，赋予材料更好的牙修复耐久性以及在建筑材料、汽车制造、凯时KB88等更广泛领域的潜在应用。