在國家重點研發(fā)計劃（批準號：2020YFA0710403, 2020YFA0710401）和國家自然科學基金項目（批準號：51532001, 51772011）等資助下，北京航空航天大學化學學院郭林教授團隊及合作者在類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的制備及性能研究方面取得了重要的進展。相關(guān)工作以“多尺度構(gòu)筑人工牙釉質(zhì)(Multiscale engineered artificial tooth enamel)”為題，2022年2月4日在線發(fā)表于Science期刊上?；瘜W學院趙赫威副教授為文章的第一作者，2017級博士生劉少佳，北大口腔醫(yī)院衛(wèi)彥教授和化學學院岳永海教授為共同第一作者，郭林教授為通訊作者，北大口腔醫(yī)院鄧旭亮教授和美國密歇根大學NicholasA.Kotov教授為共同通訊作者，北京航空航天大學為第一完成單位。

牙釉質(zhì)是人體中最硬和最強的組織，且具有優(yōu)異的粘彈性和韌性來抵抗咀嚼過程中的震動及沖擊力，實現(xiàn)了高硬、高彈、高強、高韌等多種相悖的力學性能的結(jié)合。牙釉質(zhì)主要是由規(guī)則平行排列的羥基磷灰石納米線復(fù)合少量生物蛋白質(zhì)組裝而成，進一步的研究（Science, 2015,347, 746;Nature, 2020,583, 66）發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石納米線間還具有無機非晶間質(zhì)層，這種多級微納結(jié)構(gòu)是造成牙釉質(zhì)具有此優(yōu)異力學性能的關(guān)鍵。由于缺乏一維納米線的宏觀尺寸可控組裝的方法，以及無機非晶納米材料在制備及形貌調(diào)控方面的技術(shù)瓶頸，多尺度模仿牙釉質(zhì)的多級結(jié)構(gòu)以期在人造工程材料中實現(xiàn)甚至超過牙釉質(zhì)的優(yōu)異力學性能是一個巨大的挑戰(zhàn)，特別是引入對力學性能起關(guān)鍵作用的非晶間質(zhì)層的研究還未見報道。

郭林教授研究團隊，設(shè)計了基于“納米結(jié)構(gòu)單元的宏量合成及可控組裝”的多尺度類牙釉質(zhì)復(fù)合材料合成路線，實現(xiàn)了迄今為止與牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)最為相近的類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的可控制備。具體來講，通過水熱法設(shè)計合成了與牙釉質(zhì)釉柱微觀尺寸接近的羥基磷灰石納米線；通過合理調(diào)控材料的生長與成核，實現(xiàn)了非晶氧化鋯陶瓷層在羥基磷灰石納米線表面的均勻生長，模仿了天然牙釉質(zhì)的無機非晶間質(zhì)層；合理改進定向冷凍裝置，實現(xiàn)了晶體/非晶復(fù)合納米線與聚合物的復(fù)合及宏觀尺寸可控組裝，制備得到了從原子尺度到宏觀尺度皆具有類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工牙釉質(zhì)。

制備的多級次類牙釉質(zhì)復(fù)合材料，兼具高剛度（105GPa），高硬度（5.9GPa），高粘彈性（VFOM，5.5GPa），高強度（143MPa），高韌性（7.4MPa m1/2）等特性，優(yōu)于之前報道的類牙釉質(zhì)復(fù)合材料及牙釉質(zhì)、骨骼、貝殼珍珠母等生物材料，充分體現(xiàn)了材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計對于材料性能提升的重要作用。特別需要指出的是，多級次類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的力學性能可以通過改變其組分來調(diào)控，進而制備得到性能與天然牙齒接近的復(fù)合材料：與天然牙釉質(zhì)相近的硬度和模量既能提供牙齒咀嚼所需的硬度和強度，也能夠保證不過度磨耗健康牙齒；優(yōu)于天然牙釉質(zhì)的粘彈性和韌性可以保證材料耐受更大的震動和沖擊力。該結(jié)構(gòu)與性能與天然牙釉質(zhì)相近的復(fù)合材料有望成為新一代牙齒修復(fù)材料。

該材料多級次類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)導致的強支撐、界面增強、結(jié)構(gòu)限域和應(yīng)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。該工作的研究為下一代生物力學性能匹配的牙修復(fù)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)。