恰逢冬奧盛世，北航又傳喜報(bào)
我校化學(xué)學(xué)院郭林教授團(tuán)隊(duì)
與合作者的研究成果登上《Science》雜志
該成果為人造牙釉質(zhì)的宏觀組裝
提供了一種新的工程設(shè)計(jì)方法和途徑
所設(shè)計(jì)的仿生復(fù)合材料不僅保留了
生物原型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性
并且實(shí)現(xiàn)了高剛度、硬度、強(qiáng)度
粘彈性和韌性的完美結(jié)合
被稱作“史上最強(qiáng)人造牙釉質(zhì)”
2022年2月4日，《Science》刊發(fā)了北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院郭林教授團(tuán)隊(duì)及合作者在類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的制備及性能方面取得的重要研究成果“Multiscale engineered artificial tooth enamel（多尺度構(gòu)筑人工牙釉質(zhì)）”。此項(xiàng)研究是在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2020YFA0710403, 2020YFA0710401）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：51532001, 51772011）等資助下完成。
修復(fù)牙釉質(zhì)，堪稱是仿生領(lǐng)域一項(xiàng)最“硬核”的挑戰(zhàn)。雖然可以通過生物礦化、無機(jī)模板合成等方法仿生天然牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)，但是由于牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前還無法有效獲得與天然釉質(zhì)多級(jí)結(jié)構(gòu)相同的大面積修復(fù)層，也并未復(fù)刻天然牙齒的各項(xiàng)性能。
第一作者：趙赫威副教授、劉少佳博士、
衛(wèi)彥教授、岳永海教授
通訊作者：郭林教授、鄧旭亮教授、
Nicholas A. Kotov教授
第一完成單位：北京航空航天大學(xué)
牙釉質(zhì)是人體中最硬和最強(qiáng)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(dòng)及沖擊力，實(shí)現(xiàn)了高硬、高彈、高強(qiáng)、高韌等多種相悖的力學(xué)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，牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)解析（Science，2015，347，46；Nature，2020，583，66）表明羥基磷灰石納米線間還具有無機(jī)非晶間質(zhì)層，這種多級(jí)微納結(jié)構(gòu)是造成牙釉質(zhì)具有此優(yōu)異力學(xué)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(jī)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(jí)結(jié)構(gòu)以期在人造工程材料中實(shí)現(xiàn)甚至超過牙釉質(zhì)的優(yōu)異力學(xué)性能是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，特別是引入對(duì)力學(xué)性能起關(guān)鍵作用的非晶間質(zhì)層的研究還未見報(bào)道。
郭林教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(zhǎng)與成核，實(shí)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(zhǎng)，模仿了天然牙釉質(zhì)的無機(jī)非晶間質(zhì)層；合理改進(jìn)定向冷凍裝置，實(shí)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)。
圖1. 多尺度類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)合成及微結(jié)構(gòu)表征
制備的多級(jí)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(qiáng)度（143MPa），高韌性（7.4MPa m1/2）等特性，優(yōu)于之前報(bào)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(jì)對(duì)于材料性能提升的重要作用。特別需要指出的是，多級(jí)次類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能可以通過改變其組分來調(diào)控，進(jìn)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(qiáng)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(dòng)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。
圖2. 類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能
該材料多級(jí)次類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的強(qiáng)支撐、界面增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)限域和應(yīng)力耗散等力學(xué)行為，是實(shí)現(xiàn)材料具有優(yōu)異力學(xué)性能的重要因素。該工作的研究為下一代生物力學(xué)性能匹配的牙修復(fù)材料以及綜合力學(xué)性能更為優(yōu)異的工程材料的設(shè)計(jì)合成提供了理論借鑒和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
圖3. 類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)限域與界面增強(qiáng)機(jī)制
論文鏈接：
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來自北航的通訊作者和第一作者們
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郭林
北京航空航天大學(xué)教授
博士生導(dǎo)師
教育部長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授；國家杰出青年基金、國務(wù)院政府特殊津貼、寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)獲得者；2001年北京航空航天大學(xué)首批校長(zhǎng)直聘教授，現(xiàn)為教育部仿生智能界面科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。研究方向集中在非晶/晶體納米材料的可控合成、仿生可控組裝技術(shù)、納米材料生物應(yīng)用技術(shù)等。先后承擔(dān)國家杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國家“863”項(xiàng)目、國家“973”課題、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)課題。在Nature, Science, Nat. Catal., Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Letters等國際刊物發(fā)表SCI收錄論文300余篇。2013年獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
岳永海
北京航空航天大學(xué)教授
教育部高層次人才計(jì)劃“特聘教授”，主要從事結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)韌化機(jī)制的原位機(jī)理研究及新型輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及性能表征，構(gòu)建多尺度材料力學(xué)性能表征實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究性能與結(jié)構(gòu)間的構(gòu)效關(guān)系，設(shè)計(jì)性能更為優(yōu)越的新型輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料。曾獲得國家優(yōu)青、中國十大科技新銳、北京市科技一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)，北京航空航天大學(xué)第二批青年拔尖人才支持計(jì)劃獲得者。近年來，在Nature, Science，Nature Communications等期刊上發(fā)表SCI論文40余篇，授權(quán)中國專利34項(xiàng)。承擔(dān)國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、面上基金等項(xiàng)目。
趙赫威
北京航空航天大學(xué)副教授
博士生導(dǎo)師
圍繞微納米材料的設(shè)計(jì)、制備、性能表征、機(jī)理揭示、應(yīng)用探索等方面開展了系統(tǒng)的研究。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文25篇，EI論文1篇，ESI高被引論文1篇，包括1篇Science，5篇Adv. Mater.和1篇Angew. Chem. Int. Ed.，他引700余次。授權(quán)國內(nèi)發(fā)明專利5項(xiàng)，主持了國家自然基金面上項(xiàng)目、青年基金項(xiàng)目，作為骨干參與科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等重大項(xiàng)目及科工局、軍委科技委多個(gè)“產(chǎn)學(xué)研”項(xiàng)目。
北航的科研工作者們
瞄準(zhǔn)科技前沿 提升創(chuàng)新能力
面對(duì)國家和人民所需
他們永不缺席
讓我們?yōu)槟瑘?jiān)守在科研崗位上的
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出品 | 航小萱?工作室
素材來源｜北航化學(xué)學(xué)院
編輯 | 雷東岳 胡譯文
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