这种新型合成牙釉质比真牙釉质还要坚硬

每天，你都会磨牙，而牙齿会承受这一切。当你磨碎硬食物或在压力下咬紧臼齿时，你可以感谢一层纳米级的保护膜保护着你的洁白牙齿：牙釉质。牙齿表面的这层复杂的外层只有几毫米厚，可以让你碾碎、撕碎和咀嚼，而不会对下面的敏感组织造成持续的疼痛。

牙釉质是人类已知的最坚硬的生物组织（在显微镜下看起来也很漂亮）。牙科科学家长期以来一直在探索复制这种超薄但坚固的结构的方法，以便更持久地保护牙齿健康。现在，一个工程师团队又向前迈进了一步。

北京航空航天大学、北京大学和密歇根大学的材料科学家和化学工程师发明了一种合成牙釉质，其强度甚至比人类牙齿中的牙釉质还要高。他们在 2 月 3 日发表在《科学》杂志上的一项研究中描述了他们的最高成就。这种仿生牙釉质仿照大自然的原始设计，但在实验室中进行了调整，以承受更大的磨损。虽然其他工程师已经能够重建这种坚硬外层的某些部分，但这种新方法同时考虑了刚性和弹性成分，以更接近真实物质的成分和结构。

“牙釉质具有出色的粘弹性，能够承受超长时间的振动和变形损伤，”论文第一作者、北京航空航天大学化学工程师赵河伟在一封电子邮件中写道。“这些特性传统上被认为是权衡。这在[人造]材料中并不常见，这激励我们对其进行研究。”

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牙釉质可以保护牙齿免受各种口腔伤害。它不断受到食物和饮料中酸碱的侵袭，还要与新细菌和口腔微生物群的变化作斗争。更不用说过度刷牙和习惯性磨牙也会刮掉牙釉质。“环境太恶劣了，”密歇根大学化学工程师、论文合著者尼古拉斯·科托夫说。

时间、磨损和腐烂会在牙齿外层留下孔洞，导致蛀牙和其他牙齿问题。南加州大学洛杉矶分校牙科学院的生物化学家兼教授珍妮特·莫拉迪安-奥尔达克 (Janet Moradian-Oldak) 解释说，与骨折不同，牙釉质的防御层无法自我修复，但她没有参与这项研究。

事实上，牙釉质中没有活细胞，Moradian-Oldak 解释道。“当牙齿从牙龈中长出时，制造牙釉质的细胞（称为成釉细胞）已经死亡，”她说。她目前正在测试使用肽水凝胶再生牙釉质的方法，但她承认，这是牙科研究领域面临的巨大挑战。

牙釉质的强度部分来自于其复杂而精妙的结构，这也是它如此难以复制的原因之一。这种矿化堡垒由微小的相互连接的管子（称为纳米棒）构成，纳米棒中充满了钙羟基磷灰石晶格，这是一种磷酸钙矿物。“正是这些晶体让它变得非常独特，”莫拉迪安-奥尔达克说。

Moradian-Oldak 表示，这些纳米级晶体被捆扎在一起形成一个棱柱体，每个晶体都相互交织和缠绕在一起。“这就像一把干意大利面条，然后你把它扔进锅里，”她说。但是坚硬的结晶纳米棒结构可能会在没有任何支撑衬垫的情况下断裂。当咀嚼力冲击纳米棒时，由镁、蛋白质和其他化合物组成的无定形层会吸收冲击力和压力，因此纳米棒不会断裂。

“每根纳米线，或者每根干意大利面条，都覆盖着一层无定形材料，”Moradian-Oldak 说道。“柔性材料柔软，硬质材料易碎，但牙釉质实际上是两者的结合。”科托夫表示，无定形物质的轻微弹性是牙釉质分层组织的关键组成部分，这种组织赋予牙釉质机械强度。

他指出：“对于生物结构来说，重要的是它不只具有一种特性，而是同时具有多种特性需要优化，而牙釉质就是其中一种生物奇迹。”

为了组装人造牙釉质，工程师们制作了自己紧密排列的晶体羟基磷灰石纳米线，并用二氧化锆（一种比镁非晶态材料更坚固的版本）涂覆它们，赵写道。科托夫说，这种填料含量的调整使合成牙釉质“等于或优于”人类牙釉质。“过去的研究能够用完全结晶的纳米棒复制牙釉质，其性能相当好……但不如[我们的团队]添加非晶态层时那么好。这项研究非常雄辩且令人信服地表明，可以获得这种高性能材料的宏观版本，”他说。

赵和科托夫都认为人造牙釉质可以帮助人们恢复已经磨损的防御能力。但科托夫还认为，新方法不仅仅是简单的修补和修复，而是可以实现真正的“智能”牙齿，它们可以自我修复或感知炎症、口腔微生物群的变化以及呼吸中的丙酮（糖尿病的标志）。

然而，莫拉迪安-奥尔达克对它在牙科领域的实际应用持保留态度。工程师们通过将材料加热到 300 摄氏度，将其置于冰冻温度下，并使用聚乙烯醇来控制一些结晶路径来制造牙釉质。“记住，在自然界中，我们不会像这些工程师那样遇到极端温度、极端 pH 值和极端压力，”她说。

Moradian-Oldak 补充说，虽然人造牙釉质包含以前从未合成过的关键方面，但它与真实人类牙釉质的 3D 结构并不完全匹配，这是牙医在将材料粘附或锚定到牙齿或颌骨上时需要考虑的重要因素。

“他们制作出了一种强度高得多的物质，但仍然缺少一些独特的高级珐琅，”她说。不过，她指出，该团队的技术和方法还是有不少有益之处的。“工程师们居然能够非常精确地模仿基本的科学原理和结构，这让我印象深刻。”

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科托夫表示，了解和设计纳米级牙釉质结构可能有助于开发牙科以外学科的建筑材料。他和赵表示，牙釉质的硬度和高抗震性对于建造抗震建筑至关重要。莫拉迪安-奥尔达克设想，牙釉质也可用于制造士兵头盔。

科托夫说，通过研究牙釉质等“生物奇迹”，工程师有机会改进大自然的设计，以制造出人类更需要的材料和发明。

“当然，大自然可以通过进化实现这一点，但这需要一段时间，”他解释道。“有些材料我们可以得到，但细胞却得不到。现在我们可以通过替换一些成分来重组这些材料，以获得更好的性能。”