自然界中很少有结构比牙齿或贝壳更坚固耐用。这些材料的奥秘在于其独特的精细结构：它们由多层不同材料构成，每一层中都有大量微小薄片相互连接，且同一层中的薄片朝向一致。
尽管材料科学家已有方法模仿珍珠层，但要制造一种能够模仿整个贝壳、性能和结构复杂度都与之相当的材料，仍是一项挑战。
现在，由复合材料教授安德烈·斯图达特（André Studart）领导的一个研究团队，开发出一种新工艺，几乎完美地模拟了这一自然模板。科学家们成功制造出一种基于牙齿或贝壳构造原理、坚韧的多层材料。ETH研究人员首次在单个复杂构件中重建了多层微薄片结构，且每一层中的薄片朝向一致。
ETH研究人员将这一工艺称为磁辅助滑移铸造法（MASC）。“我们这项新工艺的精彩之处在于，它以一项已有100年历史的技术为基础，并将其与现代材料研究相结合，”斯图达特的博士生、刚在专业期刊《自然·材料》（Nature Materials）上发表的一项研究的共同作者托比亚斯·尼贝尔（Tobias Niebel）说。
复兴这项有100年历史的技术
MASC的工作原理如下：研究人员首先制作一个石膏模具作为铸模。随后，他们将含有磁化陶瓷薄片（如氧化铝薄片）的悬浮液倒入模具中。石膏模具的孔隙会缓慢吸收悬浮液中的液体，使材料由外向内逐渐凝固硬化。
科学家们在铸造过程中施加磁场，并定期改变其方向，从而形成有序的层状结构。只要材料保持液态，陶瓷薄片就会沿磁场方向排列。在凝固后的材料中，薄片保持其排列方向。
通过调整悬浮液的成分和薄片的方向，可以采用连续工艺，在单个物体中制造出多层、各层材料性能不同的材料。这样就能制造出几乎完美模仿珍珠层或牙釉质等自然原型的复杂材料。“我们的技术与3D打印相似，但速度快10倍，成本效益也高得多，”斯图达特的博士后、该研究的共同第一作者弗洛里安·布维尔（Florian Bouville）说。
通过铸模制造人工牙齿
为展示MASC技术的潜力，斯图达特的研究团队制造了一颗人工牙齿，其微观结构模仿真实牙齿。人工牙齿的表面与真实牙釉质一样坚硬，结构同样复杂，而其下层则坚韧，与天然模板的牙本质相似。
该研究的共同第一作者、博士生Hortense Le Ferrand及其同事首先制作了一颗人类智齿的石膏模具。随后，他们将含有氧化铝薄片和玻璃纳米颗粒（作为粘合剂）的悬浮液注入同一模具。他们借助磁铁使薄片垂直于物体表面排列。第一层干燥后，科学家们将第二种悬浮液倒入同一模具。然而，这种悬浮液不含玻璃颗粒。第二层中的氧化铝薄片借助磁铁水平排列于牙齿表面。
这一双层结构随后在1600度下“烧制”，使材料致密并硬化，这一过程称为烧结。最后，研究人员用牙科领域使用的合成单体填充烧结后残留的孔隙，该单体随后发生聚合。
人工牙齿的表现与真实牙齿完全一致
研究人员对这一结果非常满意。“从人工牙齿获得的硬度与韧性曲线与天然牙齿完全吻合，”欣喜的斯图达特说。该工艺及所得材料适合用于牙科应用。
然而，正如斯图达特所指出的，目前的研究只是初步的概念验证，表明牙齿的天然精细结构可以在实验室中复现。“在用于牙科修复体之前，这种材料的外观还需大幅改进。”尽管如此，斯图达特解释道，这颗人工牙齿清楚地表明，复合材料的微观结构已能在一定程度上得到控制，而此前这种能力只有生物体才能实现。MASC工艺中的一个环节——陶瓷薄片的磁化与取向——已获得专利。
不过，这种用于制造复杂仿生材料的新生产工艺还有其他潜在应用。例如，可以用铜薄片代替氧化铝薄片，从而使此类材料可用于电子领域。“基础物质与薄片取向可根据需要组合，从而迅速、轻松地制造出性能各异的多种材料，”斯图达特说。
本文与 ETH Zurich合作发表。此举并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Peter Rüegg为ETH Zurich撰稿。
图片：加利福尼亚州约巴林达（Yorba Linda）Nobel Biocare制造工厂中展示的牙科种植体模型 REUTERS/Mike Blake
