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kangjx

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[交流] 北航郭林教授课题组在《Science》刊发多尺度构筑人工牙釉质最新成果

今天给大家分享一篇关于仿生牙釉质的文献，文中提到的微纳米结构单元组装策略、非晶间质增强增韧以及高分子限域作用很有新意，对我启发颇多，现跟大家分享一下我的见解。

北航郭林教授课题组在《Science》刊发多尺度构筑人工牙釉质最新成果-Multiscale engineered artificial tooth enamel

Abstract
Tooth enamel, renowned for its high stiffness, hardness and viscoelasticity, is an ideal model for designing biomimetic materials, but it is challenging to accurately replicate complex hierarchical organization of high-performance biomaterials in scalable abiological composites. We engineered an enamel analog with essential hierarchical structure at multiple scale through assembly of amorphous intergranular phase (AIP) coated hydroxyapatite nanowires intertwined with polyvinyl alcohol. The nanocomposite exhibited simultaneously high stiffness, hardness, strength, viscoelasticity and toughness, exceeding the properties of enamel and previously made bulk abiotic materials. The presence of AIP, polymer confinement and strong interfacial adhesion are all needed for high mechanical performance. This multiscale design is suitable for scalable production of high-performance materials.
牙釉质以其优异的刚度、硬度和粘弹性著称，是一种理想的仿生构筑模型，但在可放大的非生物复合材料中精确重现高性能生物材料的复杂多级结构是一个挑战。郭林教授课题组以非晶间质相包覆羟基磷灰石纳米线（HA）复合聚乙烯醇可控组装得到牙釉质类似物。此纳米复合材料同时具有优异的刚度、硬度、强度、粘弹性以及韧性，超过了牙釉质和现有的块体非生物材料。研究发现，非晶间质相的存在、聚合物的限域作用以及强界面连接共同导致了超高的力学性能。这种多尺度设计适用于高性能材料的宏量制备。

1. 此论文以天然牙釉质作为构筑模型，首先详尽分析了牙釉质的微观结构，随后通过水热法和可控水解法制备得到非晶ZrO2包覆的HA，作为构筑单元，进一步合理改进定向冷冻装置，实现了晶体/非晶复合纳米线与聚合物的复合及宏观尺寸定向组装，得到了迄今为止与牙釉质结构最为相近的类牙釉质复合材料。

图1 多尺度类牙釉质复合材料的设计合成及微纳结构表征。

2. 通过改变无机/有机含量的比例，能够显著影响聚合物的热运动，从而使得聚合物表现出明显的限域作用，进而调控复合材料整体的力学性能；特别得，非晶间质的存在，提高了无机/有机界面的连接，提高应力耗散能力，使得类牙釉质复合材料表现出即强又韧又粘弹的综合力学特性。该工作的研究为下一代生物力学性能匹配的牙修复材料以及综合力学性能更为优异的工程材料的设计合成提供了理论借鉴和设计基础。

图2 类牙釉质复合材料的结构限域与界面增强机制。

针对此文献，让我们深刻认识到牙釉质及其类牙釉质复合材料复杂的多级结构，并意识到非晶间质相在多级结构中的力学增强机制，学习了纳米线有序组装策略，对高性能复合材料制备方向的小伙伴会很有帮助。

（先分享到这里，欢迎大家留言补充）

更多详细内容，可阅读期刊原文。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3343

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