牙釉质以其高刚度、硬度和粘弹性而闻名，是设计仿生材料的理想模型，但在可扩展的生物复合材料中准确复制高性能生物材料的复杂分层组织具有挑战性。
2022年2月3日，北京航空航天大学江雷院士、郭林教授（通讯作者）、北京大学口腔医院邓旭亮教授（通讯作者）和美国密歇根大学生物界面研究所Nicholas A. Kotov教授（通讯作者）团队合作（北京航空航天大学赵赫威副教授、Liu Shaojia、岳永海教授和北京大学口腔医学院卫彦教授为论文的共同第一作者）在Science在线发表题为”Multiscale engineered artificial tooth enamel“的研究论文，该研究通过组装与聚乙烯醇交织的无定形晶间相 (AIP) 涂层羟基磷灰石纳米线，设计了一种具有多尺度基本层次结构的牙釉质类似物。
纳米复合材料同时表现出高刚度、硬度、强度、粘弹性和韧性，超过了搪瓷和以前制造的大块搪瓷启发材料的性能。AIP 的存在、聚合物限制和强大的界面粘附都是高机械性能所必需的。这种多尺度设计适用于高性能材料的规模化生产。
多种机械性能的有效组合对于工程应用来说是非常理想的，但很难实现，特别是对于需要矛盾材料设计元素的性能，例如高刚度、硬度、粘弹性、强度和韧性。牙釉质——厚度为几毫米的牙齿外壳——是人体中最坚硬的组织，具有出色的抗变形和振动损伤能力。
这种不同寻常的特性组合源于牙釉质的分层结构，它由 96 wt% 的羟基磷灰石 (HA) 纳米线组成，这些纳米线通过受限的生物分子相互连接。天然牙釉质中 HA 纳米线中的大多数结晶片段通过无定形晶间相（AIP，Mg 取代的无定形磷酸钙）相互连接，这极大地影响了牙釉质的机械性能。
人造牙釉质（ATE）的合成和表征
已经努力模拟牙釉质中纳米线的平行排列，以提高纳米复合材料的刚度、硬度或粘弹性，但物理形式通常仅限于亚毫米厚度的涂层。已证明很难组装保留生物原型的完整结构复杂性的牙釉质类似物，其中有几个基本结构元素负责其机械和生物功能（即纳米线排列、AIP 的存在和受限的有机基质）作为大块可加工材料。
该研究通过组装与聚乙烯醇交织的无定形晶间相 (AIP) 涂层羟基磷灰石纳米线，设计了一种具有多尺度基本层次结构的牙釉质类似物。
纳米复合材料同时表现出高刚度、硬度、强度、粘弹性和韧性，超过了搪瓷和以前制造的大块搪瓷启发材料的性能。AIP 的存在、聚合物限制和强大的界面粘附都是高机械性能所必需的。 这种多尺度设计适用于高性能材料的规模化生产。
原文链接：
Zhao et al., Multiscale engineered artificial tooth enamel. Science 375, 551–556 (2022)
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3343
（来源：材料君 版权属原作者 谨致谢意）
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