人間の歯に匹敵する弾力性と硬度、優れた耐損傷性を兼ね備えた自然由来の真珠層様複合材料

Nature-Inspired Nacre-Like Composites Combining Human Tooth-Matching Elasticity and Hardness with Exceptional Damage Tolerance.

• Guoqi Tan
• Jian Zhang
• Long Zheng
• Da Jiao
• Zengqian Liu
• Zhefeng Zhang
• Robert O Ritchie

抄録

人体の代替品を天然組織に近づけることは、大きな利点がある一方で、重要な課題でもあります。合成歯科材料の場合、人間の歯の実際の特性を再現することはほとんどなく、一般的に損傷耐性は比較的低い。ここでは、真珠層を模倣したラメラ構造およびブリックアンドモルタル構造をもつ、生体に着想を得た新しいセラミックポリマー複合体を報告する。この複合体は、硬さ、剛性、強度の点でそれぞれヒトの象牙質およびエナメル質に似ており、非常に優れた破壊靱性を示す。これらの複合材料は、さらに、優れた加工性、繰り返し荷重下でのエネルギー放散能力、対合歯への擦過傷の減少などの特徴を持つ。これらの材料の基本的な設計原理と靭性向上のメカニズムを、それぞれのアーキテクチャの観点から明らかにした。これらの複合材料は、新世代の歯の代替品などの歯科用途に有望な候補であることが示された。最後に、生物学的に匹敵する前例のない特性を持つ新しい材料を生物学的に設計するという考え方は、機械的性能を向上させるための幅広い材料システムに拡張できると考えられる。

Making replacements for the human body similar to natural tissue offers significant advantages but remains a key challenge. This is pertinent for synthetic dental materials, which rarely reproduce the actual properties of human teeth and generally demonstrate relatively poor damage tolerance. Here new bioinspired ceramic-polymer composites with nacre-mimetic lamellar and brick-and-mortar architectures are reported, which resemble, respectively, human dentin and enamel in hardness, stiffness, and strength and exhibit exceptional fracture toughness. These composites are additionally distinguished by outstanding machinability, energy-dissipating capability under cyclic loading, and diminished abrasion to antagonist teeth. The underlying design principles and toughening mechanisms of these materials are elucidated in terms of their distinct architectures. It is demonstrated that these composites are promising candidates for dental applications, such as new-generation tooth replacements. Finally, it is believed that this notion of bioinspired design of new materials with unprecedented biologically comparable properties can be extended to a wide range of material systems for improved mechanical performance.

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