2023年北京市优博展览 — 化学学院刘少佳《类牙釉质复合材料的可控制备及力学性能研究》

刘少佳

刘少佳，北京航空航天大学化学学院2022届博士毕业生，师从郭林教授、赵赫威教授。攻读博士学位期间，研究方向为类牙釉质复合材料的可控制备及性能研究，以第一作者、共同第一作者身份在Science、Adv. Mater.等期刊发表论文7篇，曾获北航优秀博士论文和北京市优秀博士论文等荣誉。申请国家发明专利4项，主持国家自然科学基金青年基金、博士后创新人才支持计划以及中国博士后科学基金面上资助项目。目前在北京航空航天大学化学学院从事博士后工作。

该论文提出了多尺度、多级次仿生构筑类牙釉质微纳结构的新策略，制备了系列力学性能优异的类牙釉质复合材料，取得了系列创新性成果，为解决复合材料中强度和韧性、刚度和粘弹性无法兼得的技术难题作出了重要贡献：

（1）多尺度构筑人工牙釉质，被Science News评述为“人造牙釉质的强度和耐用性超越天然牙釉质”，知名学者英国诺丁汉大学Mata 教授称其为牙釉质仿生领域的一个显著飞跃，并入选维基百科2022年科学进展。目前，正和资本机构、北大口腔医院合作，推进产业化进程；

图1 多尺度人工牙釉质 （A-E）多尺度微纳结构；

（F）力学性能；（G-K）增强增韧机制

图2 非晶陶瓷层修复受损牙釉质 （A）原位修复过程；

（B, C） 酸蚀牙釉质修复前后的SEM图；

（D）修复后牙釉质的力学性能；

（E-H）修复后牙釉质的生物相容性和抑菌效果

针对传统工程材料强度和韧性、刚度和粘弹性相悖的问题，该论文以类牙釉质复合材料为研究对象，通过对非晶增强纳米材料的设计合成及有序组装，制备了力学性能优异的类牙釉质复合材料，揭示了材料微纳结构与性能间的构效关系。主要创新点如下：

（1）发展了“晶体-非晶纳米结构单元的可控制备与组装”的纳米复合材料合成新策略，制备了迄今与天然牙釉质结构和功能最为接近的类牙釉质复合材料；

（2）提出了在金属表面原位构筑类牙釉质陶瓷层以强化金属的新概念，制备了兼具高刚度、高粘弹性、耐腐蚀的Zr-ZrO2基复合材料；

（3）基于锆离子在受损牙釉质表面成核与生长的平衡，创新性地构造了晶体-非晶仿生体系，实现了牙齿的仿生修复。

（1）Zhao, H. W., Liu, S. J. , Wei, Y., Yue, Y. H., Gao, M. R., Li, Y. B., Zeng, X. L., Deng, X. L., Kotov, N. A., Guo, L., Jiang, L., 2022. Multiscale Engineered Artificial Tooth Enamel. Science, 6580, 551.

（2）Wei, Y., Liu, S. J. , Xiao, Z. H., Zhao, H. W., Luo, J., Deng, X. L., Guo, L., 2020. Enamel Repair with Amorphous Ceramics. Adv. Mater., 32, 1907067.

（3）Zhao, H. W., Liu, S. J. , Yang, X. Y., Guo, L., 2022. Role of Inorganic Amorphous Constituents in Highly Mineralized Biomaterials and Their Imitations. ACS Nano, 16, 17486.

（4）Zhao, H. W., Liu, S. J. , Lu, J. F., Yang, X. Y., Yang, Z., Li, F. S., Guo, L., 2022. Natural Tooth Enamel and Its Analogs. Cell Rep. Phys. Sci., 3, 100945.

（5）Dong, S. Z., Liu, W., Liu, S. J. , Li, F. S., Hou, J. Y., Hao, R., Bai, X. H., Zhao, H. W., Liu, J. Z., Guo, L., 2021. Single Atomic Pt on Amorphous ZrO2 Nanowires for Advanced Photocatalytic CO2 Reduction. Mater. Today Nano, 17, 100157.

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