Science: 多尺度制备高性能人造牙釉质

牙齿外层的牙釉质是人体内最硬的天然生物材料。它具有分级自组装结构，通过有机无机相在不同尺度下的规律排布，同时具有较高的硬度、模量、强度等力学性能。各种仿造牙釉质分级结构的人造材料层出不穷。

2022年2月，北航和北大口腔医院等单位的研究人员在Science上发表了一篇文章，通过构建羟基磷灰石纳米线，与聚乙烯醇组装成具有多级结构的高性能人造牙釉质。具体步骤如图1所示，先合成羟基磷灰石纳米线，然后在表面修饰无定型氧化锆涂层。基于修饰纳米线在聚乙烯醇溶液中通过液氮构建的双向温度梯度，实现双向定向冷冻，诱导生成宏观的羟基磷灰石-聚乙烯醇复合物。最后通过冻干和压缩过程进一步提高复合物的力学性能，制备出高性能人造牙釉质复合材料。

本文制备的人造牙釉质具有较好的机械性能。各个合成步骤都对它的机械性能提升有帮助。图1G显示了无定型氧化锆涂层提升了羟基磷灰石纳米线的拉伸强度和韧性。这是通过图2所示的PTP组件，在电镜内实现的，可以获得纳米线形变时的真应变和真应力。

除了应力-应变曲线外，硬度、模量、储能模量和损耗角等参数也被用于评价人造牙釉质制备过程中机械性能的提升。如图3所示，涂层、定向结构和压缩过程都对有助于最终人造牙釉质的机械性能的提高。其中，硬度代表材料能承受的最大应力，用于评价材料的塑性；模量代表材料弹性形变的难易，用于评价材料的弹性；储能模量和损耗角代表材料在动态过程中对能量的储存和损耗，用于评价材料的动态力学性能。

如图4所示，与天然牙釉质、某些人造材料相比，本研究制备的人造牙釉质的性能都较高。综合其它一些表征结果说明，本文制备的人造牙釉质具有高刚度、高硬度、高强度、粘弹性和韧性。这种多尺度设计有较大潜力应用在其它高性能材料的制造中。除了牙釉质以外，各种甲壳类动物的外骨骼在上亿年的进化选择中也常常具有优异的性能。这些天然材料对类似的研究都具有重要参考意义。

本文相关链接：

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3343

Hysitron TI 980 纳米压痕简介：https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-test-systems/hysitron-ti-980-nanoindenter.html

原位纳米压痕仪PI89简介：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/test-and-measurement/nanomechanical-instruments-for-sem-tem/hysitron-pi-89-sem-picoindenter.html