人类用上新式义齿资料可能要感谢贝壳

文章来自“科学大院”公众号

作者：中科院金属研究所

“牙好胃口就好，身体倍棒，吃嘛嘛香”。

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不过，随着年龄的增长（或者意外的发生），要是牙齿掉了，就得用到义齿了。义齿就是人们常说的“假牙”。就像把“假腿”、“假肢”称为“义肢”一样，义齿就是指为人类尽“义务”的牙齿，能够代替缺损或缺失的牙齿实现其正常的咀嚼、发声等功能，具有很重要的实际意义和巨大的市场需求。

（图片来自：veer图库）

不过，假牙中间的学问还真不小。你知道假牙是用啥材料做的吗？

应用广泛的陶瓷假牙存在三大问题

目前应用最广泛、效果最好的义齿材料是氧化锆陶瓷，它拥有非常良好的力学性能、生物相容性和抵抗腐蚀能力，并且不会对影像学检查造成干扰。然而，氧化锆全瓷义齿在制备加工以及实际应用中存在诸多问题。

首先，氧化锆陶瓷的硬度是人牙釉质的4倍多，是人牙本质的20倍左右，其模量（即材料抵抗弹性变形的能力）也远高于人体正常牙齿，会明显加速对颌以及两侧接触的正常牙齿的磨损；

其次，氧化锆全瓷义齿具有陶瓷材料固有的脆性，对于缺陷以及微观损伤非常敏感，易于发生开裂甚至破碎，严重制约了义齿的常规使用的寿命，并且对义齿的外形和结构设计带来诸多限制，这一问题对于壁厚较小并且形状不规则的牙冠尤为突出；

再次，氧化锆陶瓷过高的硬度和严重的脆性使其无法通过传统机械手段进行加工，因此每颗义齿都要经历“私人定制式”的成型、烧结、施釉等全套流程，大幅度的提升了义齿的制备、加工成本。

氧化锆陶瓷义齿存在的问题：加速人牙磨损并且容易发生开裂或破碎（图片来自：作者提供）

像贝壳一样的假牙？

氧化锆全瓷义齿存在着这样那样的问题，那么能不能开发一些新的材料做假牙呢？

大自然是人类的良师，天然生物材料的设计理念能够为仿生设计提供很多宝贵的启示。天然生物材料在亿万年的进化过程中，其微观结构与性能都得到了持续优化。以贝壳为例，其珍珠层由95%的碳酸钙和5%的有机质组成，其中碳酸钙以片层形式进行堆砌，类似“砖墙”中的砖块，而有机质则充当着砖块之间的“水泥”的角色，填充在“砖墙”的间隙中，从而构成了尺度比头发丝还要精细的“砖墙”结构。尽管贝壳的成分与粉笔类似，但这种独特的“砖墙”结构赋予贝壳优异的强度和韧性。

近期，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂实验室的刘增乾研究员和张哲峰研究员与美国加州大学伯克利分校、吉林大学相关人员开展合作，采用天然生物材料的优化设计理念，采取组成复合化和组织结构仿生化设计，将氧化锆陶瓷与生物相容性树脂相结合，通过模仿天然贝壳珍珠层的微观组织结构，研发了硬度、强度和模量均与人体正常牙齿（包括牙釉质和牙本质）完全匹配的新型氧化锆-树脂仿生复合义齿材料，有望替代目前应用较为广泛的氧化锆全瓷义齿，相关研究成果发表在《先进材料》。

新型仿生复合义齿材料的宏观外形及其与天然贝壳的比较（图片来自：作者提供）

新型仿生复合义齿材料的硬度/模量与人牙一致（图片来自：作者提供）

新型义齿材料微观上具有与天然贝壳珍珠层类似的组织结构，氧化锆以片层形式平行排列或以“砖墙”形式紧密堆叠，其间的空隙以树脂填充。

新型仿生复合义齿材料的微观组织结构（图片来自：作者提供）

这种假牙还能保护真牙

新型义齿材料保留了氧化锆陶瓷优异的生物相容性、抵抗腐蚀能力和美学效果，并且具有一定的塑性变形能力和独特的动态耗能特性，即材料在受力时可以通过粘弹性变形消耗外力施加的能量，从而起到保护牙床和对磨牙齿的作用。与牙齿对磨实验表明，新型义齿材料具有比氧化锆陶瓷更低的摩擦系数，并且能够显著减轻义齿对人体正常牙齿的磨损。

牙齿（牛牙）在模拟口腔环境中与氧化锆以及新型仿生义齿材料对磨后的表面形貌（图片来自：作者提供）

同时，新型义齿材料的断裂韧性高于目前报道的所有义齿材料，其仿生结构通过促进裂纹偏转、阻止裂纹张开等机制对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。

新型仿生义齿材料的裂纹扩展阻力曲线与裂纹扩展形貌（图片来自：作者提供）

此外，新型义齿材料能够进行机械加工，特别是利用计算机辅助设计与制造的方法在医院做现场制作，从而实现批量供货，显著降低义齿的制备加工成本并缩短患者的等待时间。

与目前报道的其他所有义齿材料相比，新型仿生复合义齿材料与人体正常牙齿的力学性能匹配程度最高、加工性能最好（以脆度因子衡量），并且断裂韧性最为优异，因此有望替代目前应用广泛的氧化锆全瓷义齿，显著提升义齿的使用效果并延长其常规使用的寿命，具有可观的应用前景和市场潜力。未来，患者有望用上成本较低、性能较好的新型“像真牙一样的假牙”。

作者单位：中国科学院金属研究所

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