釉牙本质界面力学行为与仿生材料设计

Enamel, Dentin and the dentin-enamel junction (DEJ) possess complex hierarchical microstructures. Enamel, as the hardest tissue in the human body, is wear-resistant and fracture-tolerant. It joins the inner dentin, which is completely different material, with the functionally graded zone - DEJ. It is of great interest to study the morphology of the microstructure and discover the relationship between the mechanical behaviors and the morphological parameters. The mechanisms can be potentially used to optimize the biomimetic design principles for engineering applications. The specific tasks of the primary investigation are to (1) Conduct a detailed morphological analysis of enamel, dentin and the DEJ using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) to identify the hierarchical structures, especially at the interface. (2) Conduct profound mechanical evaluations on enamel, dentin and the DEJ. The evaluations include to characterize the elastic and plastic properties of the tissue using nanoindentation, to characterize the fracture toughness and fatigue crack propagating rate using the quasi-static and dynamic fracture evaluations, and to characterize the mechanical properties of the basic constituents of enamel, dentin and DEJ using the micro, even nanoscopic compression, which is facilitated using the focused ion beam with SEM and nanoindentation. (3) Develop multi-scale finite element models based on the morphological observation and perform parametric analysis to establish relationship between structural parameters and the mechanical properties, which is instructive in biomometic design. (4) fabricate the ceramic/polymer hybrid materials based on Al2O3/PMMA (polymethyl methacrylate) using the freeze casting method according to the DEJ design and evaluate the mechanical properties of the synthetic material. Through the above investigation, the relationship between the mechanical properties and the morphological parameters of the microstructure will be established, and the biomimetic design principles and fabricating techniques will be explored.

牙釉质牙本质及其DEJ界面具有复杂的微观结构，同时它表现出优异的力学性能，它是人体最坚硬的组织，同时具有极高的韧度，研究其微观结构与力学性能的内在联系对开发高性能的仿生材料具有重要意义。本项目拟采用高倍率电子显微镜观察牙釉质、牙本质及DEJ界面的多层结构形态；利用纳米压痕测试它们的弹性和塑性力学参数，利用裂纹扩展法测试其断裂韧度和疲劳裂纹扩展率，并利用聚焦离子束制备微米，甚至纳米级压缩试件，系统测试构成牙釉质、牙本质及DEJ界面基本组成单元的力学性能；基于牙釉质牙本质及DEJ界面微观形态，开展多尺度有限元模拟，分析微结构形态参数对力学行为的影响，揭示微结构关键形态参数对力学行为的关系与机理；探索运用冷冻铸造法合成由氧化铝和聚甲基丙烯酸甲酯组成的具有典型DEJ界面特征的仿生材料，并测试其力学性能。通过以上研究，将建立生物微观结构与力学行为的关系，探索高性能仿生材料的设计原理和制作工艺。

本项目开展了光测力学测试技术、生物材料力学与仿生材料设计、以及仿生材料制备等三方面的研究。本项目系统研究了基于数字图像相关技术的测量方法，提出了一种适合于大旋转变形的相关算法，提高了DIC技术在测量大旋转变形的测量精度。通过改进数字图像相关技术在整像素域的搜索方法，提出了数字图像相关的实时跟踪算法，并在二维和三维数字图像相关测量中得到了应用。在激光散斑干涉领域，提出了实时相移方法，获得了国家发明专利。针对内壁容器的检测问题，提出了纤维激光散斑干涉检测技术，分别利用光纤技术传播相干光和干涉图像，获得了很好的检测效果。通过纳米压痕测试了不同年龄的牙本质各个部位的弹性模量和硬度，并结合数值计算方法评估了牙本质的塑形力学行为。通过对牙釉质微观结构的观察，发现了牙釉质微观结构中纳米釉柱排列方向与微米尺度的釉柱排列方向存在非一致性。数值模拟发现这种非一致性排列对仿生材料有同样的效果，改进非一致性排列的角度，可以设计负泊松比材料。发展了一种新型内聚力模型该模型考虑了生物硬组织材料内部蛋白质集体的弹性和塑性变形，材料的损伤和裂纹的衍生，同时考虑了蛋白质与矿物质界面的物理性能，可以完美地模拟生物硬组织材料的断裂力学行为。采用内聚力有限元法首次研究矿物质与蛋白质界面力学行为与蛋白质塑性变形对生物复合材料力学性质的影响。基于生物材料的微观结构和组成方式，使用Al2O3和PMMA分别模拟矿物质和蛋白质，合成具有生物结构特征的仿生材料。通过摸索冷冻铸造法的制备工艺，合成了具有生物微观结构的仿生材料，通过三点弯曲试验，该材料具有明显弹塑性力学特征。