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人體最堅(jiān)硬的組織是什么？

牙齒！

牙齒關(guān)系著人體健康，特別是吃得怎么樣，當(dāng)你面對著一餐美食，卻發(fā)現(xiàn)自己的牙不行了，這就太下頭了吧！當(dāng)然現(xiàn)在治療牙齒的手段也是非常高的，當(dāng)牙齒受到損傷，可以鑲假牙，也就是烤瓷牙或者全瓷牙，來替代原始牙的功能。

這就要求假牙具有高剛度、硬度、強(qiáng)度、抗沖擊等等特征，對材料對要求也比較高。

牙齒外層牙釉質(zhì)保證了牙齒的優(yōu)異特性，這來源于釉質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)，它由96%的羥基磷灰石(HA)納米線組成，這些納米線由受限的生物分子相互連接。天然牙釉質(zhì)中HA納米線的大部分結(jié)晶段是由無定型粒間相(AIP, Mg取代的無定型磷酸鈣)連接的，這極大地影響了牙釉質(zhì)的力學(xué)性能。

為了提高納米復(fù)合材料的剛度、硬度或粘彈性，人們已經(jīng)在努力模擬納米線在搪瓷中的平行排列，但物理形式通常局限于亞毫米厚度的涂層。事實(shí)證明，很難組裝出能夠保持生物原型完整結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的釉質(zhì)類似物，并具有負(fù)責(zé)其機(jī)械和生物功能的幾個基本結(jié)構(gòu)元素(例如，納米線排列，AIP的存在，以及受限或有機(jī)基質(zhì))作為可加工材料。

北航江雷院士/郭林教授，北京大學(xué)鄧旭亮教授和密歇根大學(xué)Nicholas A. Kotov等人在Science上發(fā)文，Multiscale engineered artificial tooth enamel，設(shè)計(jì)了多尺度的人工牙釉質(zhì)材料，這種材料的性能超過了以往的人工釉質(zhì)，有望實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

該材料由涂有非晶ZrO₂作為AIP的對齊HA納米線制成。首先，用溶劑熱法合成長度~10微米、直徑~30 nm的HA納米線。HA納米線沿著[001]方向生長，沒有明顯的缺陷，然后通過Zr前體的水解涂上約3 nm的ZrO₂（A-ZrO₂）非晶層，然后進(jìn)行退火，形成晶體相和非晶相陶瓷之間的界面。HA納米線的幾何形狀和形態(tài)得以保留，非晶層與HA的核心緊密相連。

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圖1 牙釉質(zhì)及人工牙釉質(zhì)(ATE)合成

HA@A-ZrO₂納米線的斷裂強(qiáng)度和應(yīng)變分別為~1.6 GPa和~6.2%，是HA納米線的2.5倍和1.6倍，超過了塊體HA的力學(xué)性能。對HA@A-ZrO₂納米線在斷裂前可以承受高達(dá)約5.2%的拉伸變形，而HA的值約為2.5%。HA@A-ZrO₂表面的斷裂表面形成裂紋撓度，而不是脆性陶瓷中常見的脆性破壞，由于非晶層的存在，這有助于斷裂應(yīng)變的改善。

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圖2. ATE的力學(xué)性能

在聚乙烯醇（PVA）存在的情況下，HA@A-ZrO₂納米線分散體的雙向冷凍用于自組裝納米線平行排列的宏觀復(fù)合材料。聚二甲基硅氧烷（PDMS）楔子產(chǎn)生雙向溫度梯度，推動冰晶垂直和平行方向生長。冰晶的垂直生長迫使HA@A-ZrO₂納米線和PVA占據(jù)了冰層之間的間隙，平行生長迫使它們獲得平行方向。凍干后和機(jī)械壓縮，生產(chǎn)了致密的人造牙釉質(zhì)（ATE）。

納米復(fù)合ATE同時表現(xiàn)出高剛度、硬度、強(qiáng)度、粘彈性和韌性，超過了搪瓷和以前制造的散裝搪瓷靈感材料的性能。AIP、聚合物約束和強(qiáng)大的界面粘附是高機(jī)械性能所必需的。這種多尺度設(shè)計(jì)適用于高性能材料的規(guī)模化生產(chǎn)。

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圖3. ATE中的聚合物限制

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圖4. ATE的變形與破壞模式

原文鏈接：

Zhao et al., Multiscale engineered artificial tooth enamel. Science 375, 551–556 (2022)

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

原創(chuàng)文章，作者：v-suan，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/15/c62fffc650/

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