（图示中左边的结构为自然牙齿在其石膏模具中，中间的结构为人造牙齿（烧结后但还未使用聚合物浸入）。右侧的模具已经烧结并使用高分子浸入。其被嵌入一个“冰球”中使其可以抛光，并涂覆上铂来防止在电子显微镜下放电。）图片来源: Tobias Niebel/ETH Zurich

自然界中很少有比牙齿或贝壳更强硬，更耐用的结构。这些材料的秘密在于它们独特的精细结构：它们由不同的层组成，许多微小的板片结合在一起，在相同方向上排列。

虽然存在方法可以使材料科学家来模仿珍珠层，但创建一个材料来模仿整个海贝，使其具有类似的属性和复杂的结构，这仍然是一个挑战。创建并模仿整个贝类，并且具有可比性质和结构复杂的材料，依然是一个挑战。

现在，由复合材料教授André Studart领导的一支研究人员团队，开发出一种新方法，能几乎完美的模仿自然的模式。科学家能够基于牙齿或海贝建造原则，生产坚固而多层次的材料，而且性能一样好。ETH的研究人员经过努力，首次保持微血小板多层带，而且其中单片具有不同的取向。

这是一个ETH研究人员称之为磁辅助注浆（MASC）的过程。 “关于我们新过程的美妙之处在于，它建立在一个有100年历史的技术之上，并与现代材料研究结合在一起，”Studart的博士生Tobias Niebel，他是刚刚发表在专业期刊《Nature Materials》的这项研究的共同作者。

100年历史的技术的复兴

这是MASC如何工作的：研究人员首先创建一个石膏作为模具。在模具里，他们倒入含有磁化陶瓷的板片，如氧化铝片晶的悬浮液。石膏模的孔会慢慢地从悬浮液中吸收液体，这会导致固化并从外向内硬化材料。

科学家们通过在铸造过程中施加磁场，以规则的间隔改变其方向，来创建层状结构。只要材料保持液体，陶瓷片将会根据磁场排列。在固化材料中，板片会保留其取向。

通过悬浮液和板片方向的组合，可以用连续的方法来生产多层带，其中的单个对象可以具有不同的材料性质。这创建出的复杂的材料，几乎是他们天然模型的完美仿制品，如珍珠母或牙釉质。 “我们的技术类似于3D打印，速度快了10倍，而且更符合成本效益，”与Studart一起工作的博士后以及本文共同第一作者Florian Bouville说。

假牙从压铸模具开始

为了证明MASC技术的潜力，Studart的研究小组生产了带有微结构的人造牙齿，来模仿真正的牙齿。该人造牙齿的表面与真正的牙齿一样硬而且结构复杂，而该层之下是较软的，就像自然模型的牙本质。

该研究的共同第一作者，博士研究生Hortense Le Ferrand，和她的同事们以创建一个智齿的石膏模来开始。然后，他们使用含有氧化铝的板片和玻璃纳米粒子作为砂浆中的悬浮液，来填充此模具。通过使用磁铁，他们对准板片，使其垂直于物体的表面。一旦第一层干了，科学家们会第二次将悬浮液倒入同一模具。但是，此悬浮液，并没有包含玻璃颗粒。氧化铝片在第二层内，通过磁性被水平与牙齿表面进行了对齐。

然后，这种双层结构在1600度进行“烧制”来压缩和硬化材料：术语烧结就是用于指此过程。最后，研究人员使用牙科用的合成单体，填充烧结后剩下的孔隙，其随后会聚合。

人工牙如同真牙

研究人员对这个结果感到非常满意。 “由人造牙齿所得的硬度和韧性，正好对应天然齿，”Studart高兴得表示。该过程及其所得的材料，将用于牙科学的应用。

然而，正如Studart所指出的，目前的研究只是一个初始证明概念，即表明一个牙齿的自然精细结构，可以在实验室被再现。 “材料的外观在其被用于牙修复体前，需要被显著改善才可。”然而，正如Studart解释，所述人造牙齿清楚地显示了，在一定程度上的复合材料的微结构控制是可以实现的，以前则是单单提供生物体的保护。MASC过程中的一部分，陶瓷板片的磁化和取向中的一个组成部分，已经被申请了专利。

但是，生产这种复杂的仿生材料的新的制造方法，还具有其他潜在的应用。例如，铜板片可以代替氧化铝片，这将在电子设备中使用。 “基底物质和板片的取向可以根据需要，快速和容易地使很宽范围内的不同类型材料，具有不同性能的可行性组合，”Studart说。

    新材料在线编译整理——翻译：Gary       校正：摩天轮