北京大学口腔医学院研究团队：仿生牙釉质材料的工程制造策略 | Engineering

牙釉质是由有序排列的羟基磷灰石纳米晶体和交错的蛋白质基质组成的生物组织，具有优异的力学和美学特性。然而，当牙釉质受损时很难自然再生，并且随着牙釉质损伤不断发展，可能会累及牙髓，甚至牙齿脱落。牙釉质作为最硬的生物复合材料，长期以来一直被认为是一种很有前景的承重材料。因此，了解牙釉质形成过程和牙釉质结构基序，对于设计和工程制造具有高强度和高弹性的仿生复合材料非常重要。

北京大学口腔医学院韩冰研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年7期刊发表了题目为《仿生牙釉质材料的工程制造策略》的综述性文章，重点介绍了仿生牙釉质材料的工程制造，以及仿生牙釉质材料合成策略的最新进展，并讨论其潜在应用价值。

文章指出，理论上羟基磷灰石生物矿化策略是合成仿生釉质材料的一种有效的方法，但实际上合成类釉质磷灰石结构目前仍然不适合实际应用。尽管全牙再生已被证明是成功的，其机制仍然极其模糊、复杂，再生过程难以控制。

此外，文章揭示了合成仿生牙釉质的物理化学和生物化学方法仍然存在如下问题：①类牙釉质层的厚度有限，除修复早期龋外，无法应用于实际。②尽管研究已开发多种方法合成相对较厚的类牙釉质层，但大多数方法都表现出有限的结构精度，与具有多尺度的独特有序分层结构的天然牙釉质相差甚远。③目前仍没有合成产物的性能可以达到匹配牙釉质完整的力学性能和增强的多功能性。④修复层类牙釉质通常只生长在经处理的天然牙釉质表面，这似乎是口腔内牙釉质修复的一个实用优势。然而，这些方法中的大多数涉及缓慢的生物矿化过程，降低了它们在原位修复应用中的潜力。同时它们修复的厚度有限，因此这些方法无法用于体外工程制造仿生材料。⑤最后，牙釉质结构的有限模拟是所有方法普遍存在的问题，大多数方法不是模拟牙釉质的整个层次结构，而是仅模仿牙釉质的一小部分，如仿生平行釉柱或者绞釉。尽管这些方法已被用于合成高度有序的纳米颗粒、纳米胶囊、薄膜和碳纳米结构，但这些方法在多大程度上可以模拟牙釉质仍不清楚。因此，通过这些方法生产的材料还无法替代传统材料。

值得关注的是，采用其他多样成分的牙釉质仿生策略通常利用不同的高度有序排列的结构设计来实现牙釉质匹配特性。由此产生的非生物复合材料为各个领域开发理想材料开辟了一条新途径。对于牙科材料应用而言，必须考虑此类复合材料的生物相容性、化学稳定性和表面性能等。因此，应用生物相容性陶瓷和陶瓷基复合材料较为便捷。随着计算机辅助设计和制造技术的发展，这些材料可能成为牙科修复的候选材料。这些方法普遍被认为具有令人满意的工业应用潜力，如在电子、交通和建筑领域等。首先，这些方法解决了仿生牙釉质材料厚度有限的问题，可以批量工程制造，这是工程材料实际应用的先决条件。其次，大多数非HAP成分合成方法在不影响高韧性的情况下实现了更高的硬度、刚度、杨氏模量和强度，因此具有与天然牙釉质相似的性能，明显超过传统材料的性能。此外，它们的独特特性（如高 黏弹性指数 性 、裂纹扩展引导性和自愈能力）使其在多个特定领域具有实用性。最后，经济成本因素被认为与力学性能一样重要，因此采用成分丰富且廉价的方法更受青睐。

文章还表明，未来的研究发展可能集中在合成具有超过天然牙釉质特性的仿生牙釉质材料，例如耐高温材料可以在极端环境下应用。从更广义的角度来看，仿生牙釉质材料的最终目标是实现结构复杂性、多功能性、可持续性和自我修复能力。尽管牙釉质的矿化和相关的机械过程仍不清楚，目前提出的理论仍存在争议，但对天然牙釉质的探索和模仿将在仿生牙釉质材料领域不断产生新的进展。

以上内容来自：Lingyun Zhang, Yunfan Zhang, Tingting Yu, Liying Peng, Qiannan Sun, Bing Han. Engineered Fabrication of Enamel-Mimetic Materials [J]. Engineering, 2022, 14(7): 113-123.