每天，你咀嚼食物，牙齿承受着这一切。当你研磨坚硬的食物或在压力大时咬紧牙关时，你可以感谢一种纳米级的盾牌保护着你洁白的牙齿：你的牙釉质。这个精密的外部层只有几毫米厚，位于牙齿表面，让你能够咀嚼、撕咬而不会让下面的敏感组织感到持续的疼痛。
牙釉质是已知人体中最坚硬的生物组织（在显微镜下 看起来也很漂亮）。牙科科学家们长期以来一直在探索复制这种超薄但坚固的结构的方法，以获得更持久的保护，保持牙齿健康。现在，一支工程师团队更近了一步。
来自北京航空航天大学、北京大学和密歇根大学的材料科学家和化学工程师创造了一种人造牙釉质，其强度甚至超过了我们牙齿中的牙釉质。他们在 2 月 3 日于《*Science*》杂志上发表的一项 研究 中描述了他们的杰出成就。这种仿生牙釉质以自然界的原设计为模型，但在实验室中进行了改进，使其更能承受磨损。虽然其他工程师已经能够复制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组成和结构。
“牙釉质具有出色的粘弹性，能够承受振动和变形损伤，从而实现超长时间的服务，”北航化学工程师、该论文的首席作者何伟赵（Hewei Zhao）在电子邮件中写道。“这些特性通常被认为是相互制约的。这在 [人造] 材料中很不寻常，这也激励我们对其进行研究。”
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牙釉质能抵御各种口腔侵袭。它不断受到食物和饮料中酸碱的冲击，还要对抗新的细菌和口腔 微生物群落 的变化。更不用说，过度刷牙和习惯性磨牙也会磨损牙釉质。“环境非常恶劣，”论文的合著者、密歇根大学化学工程师 Nicholas Kotov 说。
时间、磨损和腐蚀会在牙齿的外层造成孔洞，导致蛀牙和其他牙齿问题。南加州大学牙科学院的生物化学家兼教授 Janet Moradian-Oldak（未参与该研究）解释说，与骨折不同，牙釉质的保护层不会自行修复。
事实上，Moradian-Oldak 解释说，牙釉质不含活细胞。“当牙齿从牙龈中长出来时，制造牙釉质的细胞，即 成釉细胞，就已经死亡了，”她说。她目前正在 尝试使用肽水凝胶来再生牙釉质，但她承认这对整个牙科研究领域来说是一个巨大的挑战。
牙釉质的强度部分来自于其复杂精密的结构——这也是它如此难以复制的原因。这个矿化的堡垒由微小的相互连接的管状结构组成，称为纳米棒，这些纳米棒填充着羟基磷灰石晶格，这是一种磷酸钙矿物。“正是这些晶体使其非常独特，”Moradian-Oldak 说。
Moradian-Oldak 说，这些纳米尺寸的晶体被捆绑成棱柱状，每个晶体都相互交织、连接在一起。“就像一把抓着的干意大利面，在你把它放进锅里之前，”她说。但是坚硬的晶体纳米棒结构如果没有支撑填充物很容易断裂。当咀嚼力冲击纳米棒时，由镁、蛋白质和其他化合物组成的非晶层会吸收冲击和压力，以防止纳米棒断裂。
“这些小纳米线，或者说每一根干意大利面，都覆盖着一层非晶材料，”Moradian-Oldak 说。“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。”该非晶物质的轻微弹性是赋予牙釉质机械强度的分层结构的关键组成部分，Kotov 说。
“生物结构重要的是，它不仅仅只有一个特性——而是有许多特性需要同时进行优化，而牙釉质就是其中一种生物奇迹，”他指出。
赵写道，为了组装人造牙釉质，工程师们制造了自己的紧密排列的羟基磷灰石纳米线，并用二氧化锆（一种比镁非晶材料更强的材料）对其进行了涂层。Kotov 说，这种对填充物含量的调整使得人造牙釉质“等于或优于”人体牙釉质。“过去的研究能够用全晶体纳米棒复制牙釉质，其性能相当不错……但不如 [我们的团队] 添加了非晶相层时。这项研究非常清晰且令人信服地表明，可以获得这种高性能材料的宏观版本，”他说。
赵和 Kotov 都认为，人造牙釉质可以帮助人们修复磨损的牙齿。但 Kotov 也认为，这种新方法将超越简单的修补和填充，甚至可能导致真正的“智能”牙齿，这些牙齿能够自愈，或者感知炎症、口腔微生物群落的变化以及呼吸中的丙酮，后者是糖尿病的标志。
然而，Moradian-Oldak 对其在不久的将来在牙科领域的实际应用表示担忧。工程师们通过将材料加热到 300 摄氏度，然后将其置于冰点温度，并使用聚乙烯醇来控制一些结晶路径来制造他们的牙釉质。“请记住，在自然界中，我们没有像这些工程师那样经历极端温度、极端 pH 值、极端压力，”她说。
Moradian-Oldak 补充说，虽然人造牙釉质包含了一些以前未合成过的关键方面，但它仍然无法完全匹配真实人体牙釉质的三维结构，而这对于牙医在将材料粘合或固定到牙齿或颌骨时来说是一个重要的考虑因素。
“他们得到了一些更强的东西，但它仍然缺乏牙釉质的一些独特的更高层次的结构，”她说。尽管如此，她指出，该团队的技术和方法中有一些有用的启示。“我对工程师们如何在非常、非常精确的水平上模仿组成和结构的科学基本原理印象非常深刻。”
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Kotov 说，在纳米尺度上理解和工程化牙釉质的结构，可能有助于开发牙科以外的学科的构建材料。他和赵说，其刚性和高抗振性对于建造抗震建筑至关重要。Moradian-Oldak 设想，它还可以用于制造士兵的头盔。
Kotov 说，通过借鉴牙釉质等“生物奇迹”，工程师们有机会改进大自然的原始设计，从而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来实现这一点，但这需要很长时间，”他解释说。“有些材料对我们来说是可用的，而细胞却无法获得。现在我们可以重构这些材料，通过替换一些成分来获得更好的性能。”
