牙齿力学性质类似金属而非陶瓷

生物谷

        牙齿健康“无咬不利”的人，一般被形容为“铁齿铜牙”。北京大学药学院和中国科学院力学所有关研究人员通过研究健康牙齿的力学指标发现，这一判断即使对一般人来说也几乎和事实不谋而合。他们在4月出版的《科学通报》第八期上发表的论文中指出：从力学性质上看，牙齿更类似金属，而不像人们之前通常认为的接近陶瓷。

    陶瓷是很好的无机材料。由于牙齿的化学成分羟基磷灰石是无机化合物，因此过去人们通常认为牙釉质的力学性质接近陶瓷。然而，新的研究通过对牙齿三维力学结构解析发现，牙齿的总体性质却是类似金属。该论文第一作者、北京大学药学院博士生白柯介绍，单纯比硬度或者模量等力学参数，牙齿和金属差得很远，但是从咀嚼这个功能上出发，把硬度、模量、弹性功和总功这4个力学指标结合在一起，牙齿的性质正好落在金属的范围里。“人的牙齿最重要的功能是持久咀嚼，即能承受几十年的反复咀嚼，而牙齿的类金属力学性能对持久咀嚼功能可能起着关键性作用。”

    在电视节目中，有人可以用牙齿拖起一辆汽车。作者之一、白柯的博士生导师杨晓达教授解释，一些分析表明这些人牙齿的咬合力已经超出了根据普通非金属材料所计算出来的强度，一般的“陶瓷”牙不可能咬起这么大的力量。这也提示了牙齿的性质远比人们以前想象得要好。

    既然牙齿具有如此卓越的性质，那么如何模仿其性质制作替代材料也成了研究人员下一步的工作。杨晓达表示，证实牙齿的类金属性质只是初步工作，最终的目的是想解析人体骨骼的结构原理，从而做出可以替代骨骼和牙齿的新型仿生材料。

    事实上，现在很多功能陶瓷的某些性质比金属还好，只是没有解决生物相容性的问题，一旦植入人体都会受到排斥。大家所熟悉的牙冠是植入人体的牙根，并不同人体直接接触。杨晓达说：“与骨骼比起来，牙齿毕竟在外面。如果骨头坏死的话，要求替代材料必须具备骨头的力学性质、承受人体重量，同时具有生物相容性。我们的目标就是希望能够找到像骨骼这么坚固，而生物相容性又好的材料。”

    “另一方面，在仿生材料的研究过程中，希望能够发现骨骼的一些自然机制。”杨晓达说，“骨头的某些性质可能和其受力状态密切相关。航天员在太空中特别容易骨质疏松，但人们到现在还不完全明白为什么会发生。人类要真正走入太空，必须解决这个问题。通过材料的仿生模拟研究有可能探索为什么在失重条件下容易发生骨质疏松的机理，最终找出抑制骨质疏松的药物。”

    因为材料的评价实验较贵，研究者一般是侧重材料某一些方面的性质，合成出材料之后再实验它的性质。而本次研究则不同，杨晓达说：“这次我们想反过来，先了解其性质，作一个合理的设计，最后再做材料。因此要先了解骨头的特殊性质，和其他材料的区别。为什么无机材料通过牙齿这种结构组合起来之后具有金属的耐磨性？什么样的结构方式能产生这种效果？知道了这些就可以进行更好的仿生。”据悉，这项研究采用了硬度、模量、弹性功和总功这4项力学指标的综合参数进行定量研究，实验数据为未来制作仿生材料奠定了基础。