论文标题：Tooth Diversity Underpins Future Biomimetic Replications

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/8/1/42

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

牙齿是生物体内最坚硬的组织，也是古生物学家研究远古生物的重要依据。但牙齿的魅力远不止于此——不同物种为了适应各自的生存环境，演化出了成分、结构、性能各异的牙齿，堪称自然界的“材料实验室”。从人类到熊猫，从鲨鱼到石鳖，每一种牙齿都藏着独特的力学设计。研究它们，不仅能解开生物演化的谜题，更能为人类设计高性能材料提供源源不断的灵感。

来自吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室的团队在Biomimetics发表的综述，系统梳理了从哺乳动物到水生生物的牙齿多样性，并展望了如何将这些自然智慧“复制”到未来的仿生材料中。

图：本综述涵盖的代表性动物：(A) 人类；(B) 熊猫；(C) 鬣狗；(D) 海獭；(E) 鹦嘴鱼；(F) 海胆；(G) 石鳖；(H) 鲨鱼；(I) 龙鱼。

研究内容

1.哺乳动物牙齿：分层结构造就“抗裂高手”

人类的牙齿由最外层的牙釉质、中间的牙本质和两者之间的牙釉质-牙本质交界处组成。牙釉质是人体最硬的组织，硬度约5 GPa，但纯羟基磷灰石很脆。为什么牙齿却能嚼碎硬物而不崩裂？奥秘在于其多级结构：纳米纤维 (30–40 nm)→ 纤维束 (80–130 nm)→ 棱柱 (6–8 μm)→ 不同棱柱排列方式 (如放射状、交错状)→ 牙齿整体。

这种分级结构能有效分散应力、阻止裂纹扩展。

不同哺乳动物牙齿还有“定制化”设计：

• 熊猫的牙齿釉柱排列致密，抗磨损能力强；

• 鬣狗作为食骨动物，其牙齿釉柱呈“之”字形交错，能抵抗多方向应力；

• 海獭牙齿的亨特-谢雷格带密度是人类的2.5倍，韧性更高，不易崩裂。

2.水生动物牙齿：硬度的极限与功能的奇迹

如果说哺乳动物牙齿是“力学大师”，那水生动物牙齿就是“极限玩家”。

• 鲨鱼牙：氟磷灰石的梯度铠甲

鲨鱼牙齿主要由氟磷灰石构成，比人类牙齿的羟基磷灰石更耐酸。其牙釉质层中，晶体束呈环形、径向和轴向排列，形成梯度结构：外层晶体平行排列，内层杂乱交织。这种结构能引导裂纹沿特定方向扩展，保护牙尖形状。

• 鹦嘴鱼牙：比鲨鱼牙还硬

鹦嘴鱼以啃食珊瑚为生，其牙齿硬度高达7.3 GPa，模量124 GPa。原因在于其氟磷灰石纤维从牙根到牙尖逐渐变细 (5 μm→2 μm)，形成梯度强化，同时纤维交错排列，增韧效果显著。

• 黑鼓鱼牙：史上最硬牙齿

黑鼓鱼牙是史上牙齿硬度的最高纪录保持者，它用牙齿压碎贝壳，其牙釉质模量高达126.9 GRa，是目前报道的最高纪录。这得益于氟和锌掺杂的磷灰石晶体，以及晶体沿受力方向的高度取向排列。

• 海胆牙：会自我磨锐的牙

海胆牙齿由碳酸钙组成，按理说很脆，但它们却能用来自我磨锐。奥秘在于牙齿内部由多晶纳米颗粒、纤维和有机层构成，形成预定的“断裂线”，让外层按计划剥落，暴露出更坚硬的中央“石核”，保持锋利。

• 石鳖牙：铁齿铜牙

石鳖用牙齿刮食岩石上的藻类，其牙齿顶端覆盖着磁铁矿——这是目前已知最硬的生物矿物，硬度高达9–12 GPa，是人类牙釉质的三倍。更妙的是，牙齿呈“硬壳软芯”结构：外层是磁铁矿纳米棒，内层是有机磷酸铁，兼具硬度和缓冲性。

• 龙鱼牙：深海的隐形武器

生活在黑暗深海的龙鱼，长着完全透明的牙齿，在生物荧光下几乎不可见，成为伏击猎物的“隐形武器”。其牙釉质由20 nm的羟基磷灰石纳米晶组成，牙本质由5 nm纳米棒嵌入胶原蛋白构成，且缺乏牙本质小管，极大减少光散射，实现透明。

• 鹦嘴鱼牙：比鲨鱼牙还硬

鹦嘴鱼以啃食珊瑚为生，其牙齿硬度高达7.3 GPa，模量124 GPa。原因在于其氟磷灰石纤维从牙根到牙尖逐渐变细 (5 μm→2 μm)，形成梯度强化，同时纤维交错排列，增韧效果显著。

3.从自然到实验室：仿生牙齿材料初露锋芒

科学家们早已开始模仿牙齿结构，制造高性能人工材料。

• 层层自组装法：用ZnO纳米棒模拟釉柱，聚合物填充间隙，制得模量39.8 GPa、硬度1.65 GPa的复合材料，能量耗散性能优于传统材料。

• 双向冷冻法：利用温度梯度诱导HAP纳米线定向排列，再与PVA复合，得到模量105.6 GPa、硬度5.9 GPa、韧性7.4 MPa·m1/2的“人造牙釉质”，性能媲美天然牙齿。

• 3D打印与磁辅助浇铸：实现了复杂牙结构的自由成型。

更进一步的，研究者还模仿牙釉质-牙本质界面，制备了硬而韧且能自愈合的双层仿生牙：上层是β-FeOOH纳米柱阵列 (硬)，下层是柔性自愈合层，一旦上层开裂，下层聚合物可向上扩散填补裂缝。

展望：牙齿多样性指引未来材料之路

牙齿的多样性，远不止于此。在文末，作者还对未来仿生材料进行了展望：

• 分级与梯度结构：目前仿牙材料主要模仿了釉柱的基本排列，但真实牙齿中还存在釉柱间质、不同釉柱图案、晶体取向梯度等更精细的结构，有待复制。

• 多功能集成：如海胆牙的自锐性、石鳖牙的硬壳软芯、龙鱼牙的透明+力学性能，未来可设计兼具耐磨、自锐、光学特性、抗菌等多功能材料。

• 精准合成与规模化：计算机模拟将助力精准设计，但如何从实验室走向工业化生产，仍需突破3D/4D打印分辨率与产量的瓶颈。

结语

牙齿，这个我们习以为常的小器官，竟是自然界亿万年的“材料实验室”。从哺乳动物的抗裂设计，到水生生物的极限硬度、自锐机制、隐形功能，每一种牙齿都在诉说着演化的智慧。

当人类学会“复制”这些自然界的“齿”间智慧，我们将迎来新一代高性能仿生材料——它们可能用于制造更耐用的刀具、更安全的植入体、更智能的传感器，甚至未来星际探测的采样工具。

原文出自Biomimetics 期刊：

Wang, D.; Han, S.; Yang, M. Tooth Diversity Underpins Future Biomimetic Replications. Biomimetics 2023,8, 42.

Biomimetics期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。