義齒，也就是“假牙”，能夠代替缺損或缺失的牙齒實現(xiàn)其正常的咀嚼、發(fā)聲等功能，具有非常重要的實際意義和巨大的市場需求。氧化鋯陶瓷具有良好的力學(xué)性能、生物相容性和耐腐蝕性，同時不會對影像學(xué)檢查造成干擾，是目前應(yīng)用最廣泛、效果最好的義齒材料。然而，氧化鋯全瓷義齒在制備加工以及實際應(yīng)用中存在諸多問題。首先，氧化鋯陶瓷的硬度是人牙釉質(zhì)的4倍多，人牙本質(zhì)的20倍左右，其模量也遠(yuǎn)高于人體正常牙齒，從而明顯加速對頜以及兩側(cè)接觸正常牙齒的磨損；其次，氧化鋯全瓷義齒具有陶瓷材料固有的脆性，對于缺陷以及微觀損傷非常敏感，易于發(fā)生開裂甚至破碎，嚴(yán)重制約了義齒的使用壽命，并且對義齒的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來諸多限制，這一問題對于壁厚較小并且形狀不規(guī)則的牙冠尤為突出；再次，氧化鋯陶瓷過高的硬度和嚴(yán)重的脆性使其無法通過傳統(tǒng)機械手段進行加工，因此每顆義齒都要經(jīng)歷私人定制式的成型、燒結(jié)、施釉等全套流程，大大提高了義齒的制備、加工成本。

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室研究員劉增乾和張哲峰與美國加州大學(xué)伯克利分校教授Robert O. Ritchie以及吉林大學(xué)開展合作，他們結(jié)合生物力學(xué)原理，采取組成復(fù)合化和組織結(jié)構(gòu)仿生化設(shè)計，將臨床應(yīng)用的氧化鋯陶瓷與生物相容性樹脂相結(jié)合，通過模仿天然貝殼珍珠層的微觀組織結(jié)構(gòu)，設(shè)計研發(fā)了硬度、強度和模量均與人體正常牙齒（包括牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)）完全匹配的新型氧化鋯-樹脂仿生復(fù)合義齒材料。新型義齒材料微觀上具有與天然貝殼類似的組織結(jié)構(gòu)，氧化鋯以片層形式平行排列或以“磚墻”形式緊密堆疊，其間的空隙以樹脂填充，如圖1所示。同時，他們提出了能夠準(zhǔn)確描述并預(yù)測仿生材料模量的力學(xué)模型，并且通過調(diào)控材料的微、納米尺度組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了新型義齒材料的硬度、強度和模量與人體正常牙齒的完全匹配。

　　新型義齒材料保留了氧化鋯陶瓷優(yōu)異的生物相容性、耐腐蝕性和美學(xué)效果，并且具有一定的塑性變形能力和獨特的動態(tài)耗能特性，即義齒在受力時能夠通過粘彈性變形消耗外力施加的能量，從而起到保護牙床和對磨牙齒的作用。與牙齒對磨實驗表明：新型義齒材料具有比氧化鋯陶瓷更低的摩擦系數(shù)，能夠顯著減輕義齒對人體正常牙齒的磨損，如圖2所示。特別是新型義齒材料的斷裂韌性高于目前報道的所有義齒材料，其仿生結(jié)構(gòu)通過促進裂紋偏轉(zhuǎn)、阻止裂紋張開等機制對裂紋擴展起到有效的阻礙作用，如圖3所示。此外，新型義齒材料能夠很容易地進行機械加工，特別是利用計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）的方法在醫(yī)院進行現(xiàn)場制作，如視頻所示，從而改變現(xiàn)有氧化鋯全瓷義齒私人定制式的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)批量供貨，顯著降低義齒的制備加工成本，并縮短患者的等待時間。

　　為了評價不同義齒材料與人體正常牙齒的性能匹配程度，他們進一步提出了匹配因子的概念和計算方法，該因子能夠綜合反映義齒與人體正常牙齒在硬度、模量和強度等方面的差異。與目前報道的其他所有義齒材料相比，新型仿生復(fù)合義齒材料與人體正常牙齒的力學(xué)性能匹配程度最高、加工性能最好（以脆度因子衡量），并且斷裂韌性最為優(yōu)異，因此有望替代目前應(yīng)用廣泛的氧化鋯全瓷義齒，顯著提升義齒的使用效果并延長其使用壽命，具有可觀的應(yīng)用前景和市場潛力。目前，研究團隊正在就新型義齒材料在模擬實際應(yīng)用條件下的壓-壓疲勞性能、著色以及生物相容性等方面開展進一步研究，并且正在與醫(yī)院合作開展臨床應(yīng)用方面的探索，旨在推進新型義齒材料的實際應(yīng)用。

　　上述研究成果于近期發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials，doi: 10.1002/adma.201904603），文章第一作者為金屬所博士研究生談國旗。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金項目的資助。

圖1：新型仿生復(fù)合義齒材料的宏觀外形、微觀組織結(jié)構(gòu)及其與天然貝殼的比較

圖2：牙齒（牛牙）在模擬口腔環(huán)境中與氧化鋯以及新型仿生義齒材料對磨后的表面形貌

圖3：新型仿生義齒材料的裂紋擴展阻力曲線與裂紋擴展形貌及其斷裂韌性和模量與其他義齒材料的比較