牙釉質(zhì)是人體中最硬和最強的組織，且具有優(yōu)異的粘彈性和韌性來抵抗咀嚼過程中的震動及沖擊力，實現(xiàn)了高硬、高彈、高強、高韌等多種相悖的力學(xué)性能的結(jié)合。牙釉質(zhì)主要是由規(guī)則平行排列的羥基磷灰石納米線復(fù)合少量生物蛋白質(zhì)組裝而成，羥基磷灰石納米線間還具有無機非晶間質(zhì)層，這種多級微納結(jié)構(gòu)是造成牙釉質(zhì)具有此優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵。由于缺乏一維納米線的宏觀尺寸可控組裝的方法，以及無機非晶納米材料在制備及形貌調(diào)控方面的技術(shù)瓶頸，多尺度模仿牙釉質(zhì)的多級結(jié)構(gòu)以期在人造工程材料中實現(xiàn)甚至超過牙釉質(zhì)的優(yōu)異力學(xué)性能是一個巨大的挑戰(zhàn)。雖然可以通過生物礦化、無機模板合成等方法仿生天然牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)，但是由于牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前還無法有效獲得與天然釉質(zhì)多級結(jié)構(gòu)相同的大面積修復(fù)層，也并未復(fù)刻天然牙齒的各項性能，離臨床應(yīng)用還有較遠的距離。

北京航空航天大學(xué)研發(fā)團隊設(shè)計了基于“納米結(jié)構(gòu)單元的宏量合成及可控組裝”的多尺度類牙釉質(zhì)復(fù)合材料合成路線，實現(xiàn)了迄今為止與牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)最為相近的類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的可控制備。通過水熱法設(shè)計合成了與牙釉質(zhì)釉柱微觀尺寸接近的羥基磷灰石納米線；通過合理調(diào)控材料的生長與成核，實現(xiàn)了非晶氧化鋯陶瓷層在羥基磷灰石納米線表面的均勻生長，模仿了天然牙釉質(zhì)的無機非晶間質(zhì)層；合理改進定向冷凍裝置，實現(xiàn)了晶體/非晶復(fù)合納米線與聚合物的復(fù)合及宏觀尺寸可控組裝，制備得到了從原子尺度到宏觀尺度皆具有類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工牙釉質(zhì)。

該項目制備的多級次類牙釉質(zhì)復(fù)合材料，兼具高剛度（105GPa），高硬度（5.9GPa），高粘彈性（VFOM，5.5GPa），高強度（143MPa），高韌性（7.4MPa m1/2）等特性，優(yōu)于之前報道的類牙釉質(zhì)復(fù)合材料及牙釉質(zhì)、骨骼、貝殼珍珠母等生物材料，充分體現(xiàn)了材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計對于材料性能提升的重要作用。本成果制備出的的多級次類牙釉質(zhì)復(fù)合材料的力學(xué)性能可以通過改變其組分來調(diào)控，進而制備得到性能與天然牙齒接近的復(fù)合材料：與天然牙釉質(zhì)相近的硬度和模量既能提供牙齒咀嚼所需的硬度和強度，也能夠保證不過度磨耗健康牙齒；優(yōu)于天然牙釉質(zhì)的粘彈性和韌性可以保證材料耐受更大的震動和沖擊力。該結(jié)構(gòu)與性能與天然牙釉質(zhì)相近的復(fù)合材料有望成為新一代牙齒修復(fù)材料。