近日，牛津大学工程科学系常金科研究员与 Alexander M. Korsunsky 教授、Jin-Chong Tan 教授合作的最新研究成果，发表 ACS Applied Materials & Interfaces。研究团队围绕仿生牙釉质的合成与纳米单晶尺度的创新表征方法开展探索，揭示了牙釉质去矿化与再矿化的动态机制，并提出了一种全新的仿生构建方法。
牙釉质是人体最坚硬的组织，由高度有序的羟基磷灰石（HAp）纳米晶体组成，为牙齿提供耐磨性和持久的机械强度。然而，牙釉质一旦受损无法再生，其在口腔环境中的酸蚀、去矿化过程常导致龋齿。氟元素的引入能够提升羟基磷灰石的稳定性，形成氟化羟基磷灰石（FHAp），这也是牙膏与防龋治疗的科学基础。但现有研究大多依赖离线的表征手段，缺乏对晶体在动态环境中溶解和再生的实时观测。
研究亮点
在这项工作中，研究团队取得了以下重要进展：
- 创新仿生合成方法
团队提出了一种常温常压下快速构建仿生含氟羟基磷灰石纳米晶体的新方法，该方法可制备具有高度仿生趋向的纳米晶体，通过氟离子调控精准制造六方棒状或椭圆形晶体，实现对晶体取向和形貌的精准控制，同时避免了复杂苛刻的实验条件。 - 纳米力学性能的各向异性
创新的提出了纳米单晶尺度的力学测试方法，研究团队揭示了单晶在不同晶轴方向表现出非对称性的硬度与弹性模量。特别是在 c 轴方向，仿生晶体表现出更高的硬度和弹性模量，类似天然牙釉质的耐磨特性。 - 化学成分与晶体结构调控
通过调节氟取代率，研究人员发现氟离子能够改变晶格参数，使晶体排列更加致密有序。通过纳米晶体的单晶级别实验和分子动力学模拟，解释了含氟晶体的化学稳定性，还赋予其更强的抗酸蚀能力。 - 液体环境下的动态原位观测
借助液体环境下的原子力显微镜（LC-AFM），团队首次实现了对牙釉质纳米晶体去矿化与再矿化过程的实时追踪。研究揭示了晶体在酸性环境中的受控溶解机制，并验证了氟化晶体显著增强的抗酸性能。 - 纳米光谱、纳米结构与原位化学稳定性耦合分析
近场纳米光谱显示，六方棒状 FHAp 晶体的红外光谱的微小偏移，反映出更低的晶格无序度和更紧密的晶体堆积。结合纳米单晶尺度的多种观测方法，研究人员将单晶原子级别的结构与纳米形貌，化学和力学的动态稳定性关联分析，进一步解释了牙釉质去矿化和再矿化过程。
科学与临床意义
该研究不仅深化了人们对牙釉质纳米结构及其力学与化学稳定性的认知，也为临床口腔修复开辟了全新的材料研发路径，为设计耐酸蚀、可再生的仿生牙釉质提供了坚实的理论与技术支撑。常金科博士表示：“我们提出的纳米单晶表征与液体原位观测体系，不仅展示了纳米尺度下最前沿的表征与动态观测手段，也为未来纳米制造与原子制造领域的实时监测与机理解析提供了新思路。”
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c13544
