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人體最堅硬的組織是什么？

牙齒！

牙齒關系著人體健康，特別是吃得怎么樣，當你面對著一餐美食，卻發現自己的牙不行了，這就太下頭了吧！當然現在治療牙齒的手段也是非常高的，當牙齒受到損傷，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。

牙齒外層牙釉質保證了牙齒的優異特性，這來源于釉質的分層結構，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。天然牙釉質中HA納米線的大部分結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的力學性能。

為了提高納米復合材料的剛度、硬度或粘彈性，人們已經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。事實證明，很難組裝出能夠保持生物原型完整結構復雜性的釉質類似物，并具有負責其機械和生物功能的幾個基本結構元素(例如，納米線排列，AIP的存在，以及受限或有機基質)作為可加工材料。

北航江雷院士/郭林教授，北京大學鄧旭亮教授和密歇根大學Nicholas A. Kotov等人在Science上發文，Multiscale engineered artificial tooth enamel，設計了多尺度的人工牙釉質材料，這種材料的性能超過了以往的人工釉質，有望實現應用。

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 牙釉質及人工牙釉質(ATE)合成

HA@A-ZrO₂納米線的斷裂強度和應變分別為~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的力學性能。對HA@A-ZrO₂納米線在斷裂前可以承受高達約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，這有助于斷裂應變的改善。

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圖2. ATE的力學性能

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合材料。聚二甲基硅氧烷（PDMS）楔子產生雙向溫度梯度，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。凍干后和機械壓縮，生產了致密的人造牙釉質（ATE）。

納米復合ATE同時表現出高剛度、硬度、強度、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、聚合物約束和強大的界面粘附是高機械性能所必需的。這種多尺度設計適用于高性能材料的規?；a。

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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

原創文章，作者：v-suan，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/15/c62fffc650/

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