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　　義齒，也就是“假牙”，能夠代替缺損或缺失的牙齒實(shí)現(xiàn)其正常的咀嚼、發(fā)聲等功能，具有非常重要的實(shí)際意義和巨大的市場(chǎng)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(shí)不會(huì)對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)義齒的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來諸多限制，這一問題對(duì)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(jī)械手段進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jì)，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(jì)研發(fā)了硬度、強(qiáng)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(shí)，他們提出了能夠準(zhǔn)確描述并預(yù)測(cè)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(shí)現(xiàn)了新型義齒材料的硬度、強(qiáng)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(dú)特的動(dòng)態(tài)耗能特性，即義齒在受力時(shí)能夠通過粘彈性變形消耗外力施加的能量，從而起到保護(hù)牙床和對(duì)磨牙齒的作用。與牙齒對(duì)磨實(shí)驗(yàn)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(duì)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(bào)道的所有義齒材料，其仿生結(jié)構(gòu)通過促進(jìn)裂紋偏轉(zhuǎn)、阻止裂紋張開等機(jī)制對(duì)裂紋擴(kuò)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(jìn)行機(jī)械加工，特別是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）的方法在醫(yī)院進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(shí)間。
　　為了評(píng)價(jià)不同義齒材料與人體正常牙齒的性能匹配程度，他們進(jìn)一步提出了匹配因子的概念和計(jì)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(qiáng)度等方面的差異。與目前報(bào)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(zhǎng)其使用壽命，具有可觀的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在就新型義齒材料在模擬實(shí)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(jìn)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(jìn)新型義齒材料的實(shí)際應(yīng)用。
　　上述研究成果于近期發(fā)表在《先進(jìn)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(xiàng)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(duì)磨后的表面形貌
　　圖3：新型仿生義齒材料的裂紋擴(kuò)展阻力曲線與裂紋擴(kuò)展形貌及其斷裂韌性和模量與其他義齒材料的比較