義齒，也就是“假牙”，能夠代替缺損或缺失的牙齒實現其正常的咀嚼、發聲等功能，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性能、生物相容性和耐腐蝕性，同時不會對影像學檢查造成干擾，是目前應用最廣泛、效果最好的義齒材料。然而，氧化鋯全瓷義齒在製備加工以及實際應用中存在諸多問題。首先，氧化鋯陶瓷的硬度是人牙釉質的4倍多，人牙本質的20倍左右，其模量也遠高於人體正常牙齒，從而明顯加速對頜以及兩側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，對於缺陷以及微觀損傷非常敏感，易於發生開裂甚至破碎，嚴重製約了義齒的使用壽命，並且對義齒的外形和結構設計帶來諸多限制，這一問題對於壁厚較小並且形狀不規則的牙冠尤為突出；再次，氧化鋯陶瓷過高的硬度和嚴重的脆性使其無法通過傳統機械手段進行加工，因此每顆義齒都要經歷私人定製式的成型、燒結、施釉等全套流程，大大提高了義齒的製備、加工成本。
近期，中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室劉增乾研究員和張哲峰研究員與美國加州大學伯克利分校的Robert O. Ritchie教授以及吉林大學開展合作，他們結合生物力學原理，採取組成複合化和組織結構仿生化設計，將臨床應用的氧化鋯陶瓷與生物相容性樹脂相結合，通過模仿天然貝殼珍珠層的微觀組織結構，設計研發了硬度、強度和模量均與人體正常牙齒（包括牙釉質和牙本質）完全匹配的新型氧化鋯-樹脂仿生複合義齒材料。新型義齒材料微觀上具有與天然貝殼類似的組織結構，氧化鋯以片層形式平行排列或以“磚牆”形式緊密堆疊，其間的空隙以樹脂填充，如圖1所示。同時，他們提出了能夠準確描述並預測仿生材料模量的力學模型，並且通過調控材料的微、納米尺度組織結構，實現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。
圖1：新型仿生複合義齒材料的宏觀外形、微觀組織結構及其與天然貝殼的比較
新型義齒材料保留了氧化鋯陶瓷優異的生物相容性、耐腐蝕性和美學效果，並且具有一定的塑性變形能力和獨特的動態耗能特性，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係數，能夠顯著減輕義齒對人體正常牙齒的磨損，如圖2所示。
圖2：牙齒（牛牙）在模擬口腔環境中與氧化鋯以及新型仿生義齒材料對磨後的表面形貌
特別是新型義齒材料的斷裂韌性高於目前報道的所有義齒材料，其仿生結構通過促進裂紋偏轉、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計與製造（CAD/CAM）的方法在醫院進行現場製作，如視頻所示，從而改變現有氧化鋯全瓷義齒私人定製式的生產方式，實現批量供貨，顯著降低義齒的製備加工成本，並縮短患者的等待時間。
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
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，新型仿生複合義齒材料與人體正常牙齒的力學性能匹配程度最高、加工性能最好（以脆度因子衡量），並且斷裂韌性最為優異，因此有望替代目前應用廣泛的氧化鋯全瓷義齒，顯著提升義齒的使用效果並延長其使用壽命，具有可觀的應用前景和市場潛力。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，並且正在與醫院合作開展臨床應用方面的探索，旨在推進新型義齒材料的實際應用。
上述研究成果於近期發表在Advanced Materials（doi: 10.1002/adma.201904603），文章第一作者為中國科學院金屬研究所的博士研究生談國旗。相關工作得到了國家自然科學基金項目的資助（資助號：51871216，51501190）。（來源：金屬所）
閱讀更多 材料material 的文章
