国际权威学术期刊《科学》（Science）日前刊发北京航空航天大学郭林教授团队与北京大学口腔医院邓旭亮教授团队及美国密歇根大学Nicholas A. Kotov教授合作在类牙釉质复合材料的制备及性能方面取得的研究成果《多尺度构筑人工牙釉质》。研究制备的多级次类牙釉质复合材料兼具高刚度、高硬度、高粘弹性、高强度、高韧性等特性，力学性能优于之前的类牙釉质复合材料及牙釉质、骨骼、贝壳珍珠母等生物材料。通过改变其组分进行调控，可以制备得到性能与天然牙齿接近的复合材料：与天然牙釉质相近的硬度和模量既能提供牙齿咀嚼所需的硬度和强度，也能够保证不过度磨耗健康牙齿；优于天然牙釉质的粘弹性和韧性可以保证材料耐受更大的震动和冲击力。
　　牙釉质是人体中最坚硬的天然生物材料，可实现高硬、高弹、高强、高韧等多种相悖力学性能的结合。牙釉质结构复杂、无法再生，修复牙釉质一直是仿生领域的一项艰巨挑战：难以获得与天然釉质多级结构相同的大面积修复层，也难以复刻天然牙齿的各项性能。据了解，牙釉质主要是由规则平行排列的羟基磷灰石纳米线复合少量生物蛋白质组装而成，对其结构的精细解析表明羟基磷灰石纳米线间还具有无机非晶间质层，这种多级微纳结构是牙釉质具有优异力学性能的关键。由于缺乏一维纳米线的宏观尺寸可控组装的方法，以及无机非晶纳米材料在制备及形貌调控方面的技术瓶颈，多尺度模仿牙釉质的多级结构以期在人造工程材料中实现甚至超过牙釉质的优异力学性能是一个巨大的挑战。
　　该研究设计了基于“纳米结构单元的宏量合成及可控组装”的多尺度类牙釉质复合材料合成路线，实现了迄今为止与牙釉质结构最为相近的类牙釉质复合材料的可控制备。具体来讲，通过水热法设计合成了与牙釉质釉柱微观尺寸接近的羟基磷灰石纳米线；通过合理调控材料的生长与成核，实现了非晶氧化锆陶瓷层在羟基磷灰石纳米线表面的均匀生长，模仿了天然牙釉质的无机非晶间质层；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可控组装，制备得到了从原子尺度到宏观尺度都具有类牙釉质结构的人工牙釉质。这种结构与性能和天然牙釉质相近的复合材料有望成为新一代牙齿修复材料。该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。