牙齿生物摩擦学机理研究

国家自然科学奖申报项目公示

1、项目名称

牙齿生物摩擦学机理研究

2、推荐专家意见

推荐专家1：雒建斌院士（清华大学）；学科专业：机械工程

生物摩擦学是机械工程领域的重点研究方向之一。该项目面向生物器官耐磨奥秘的前沿探索，以及老龄化、疾病等带来的大量修复牙的增寿问题，把鲜有涉足、研究难度大的人类牙齿摩擦副作为研究对象，工医结合，对牙齿生物摩擦学机理开展了深入系统的研究，历时长达15年，取得了如下重要创新成果：建立了一套自成体系的牙齿摩擦学研究方法，发现多级抗磨的材料组成和结构是牙齿具有优异耐磨性的内在因素；发现牙齿材料自润滑和唾液膜润滑的协同机制是牙齿减摩的重要途径，再矿化是牙齿磨蚀表面自修复的重要机制，内外协同作用是保障牙齿摩擦副长期服役的根本原因；在此基础上，提出了材料、结构、润滑、自修复等多因素协同作用的减摩抗磨仿生设计方法，研制了仿生人工牙，建立了牙齿修复的若干减摩抗磨设计准则，相关成果已得到临床验证和转化实施，具有重要应用推广价值。

作为摩擦学同行和责任推荐专家，据本人对该团队的了解，该项目已被多个国外研究机构跟踪研究，取得的实验数据已被他人采纳并作为进一步分析计算的依据，相关成果得到国内外同行的高度评价；我确信该项目是我国摩擦学领域独立开展研究取得的、最具国际学术影响力的若干代表性成果之一，它开拓了生物摩擦学的新方向，引领了牙齿生物摩擦学研究的发展，颇具特色，整体处于国际领先水平，为进一步提升我国摩擦学研究的国际学术地位作出了重要贡献。

该项目部分成果已获2012年度教育部自然科学奖一等奖。

推荐等级：国家自然科学奖二等奖

推荐专家2：任露泉院士（吉林大学）；学科专业：机械工程

漫长进化造就了许多生物体或器官具有人类至今无法实现的各种奇特性能，而形似而神不似常常是工程仿生存在的一个瓶颈问题，其关键在于人们没有全面掌握仿生对象具有的特殊性能的形成机制，缺乏系统的基础研究。

该项目以揭示人类牙齿耐磨功能形成机制等为主要研究目标，对牙齿生物摩擦学机理开展了系统深入的研究，取得了重要创新成果：从牙釉质、釉柱到纳米纤维束，揭示了不同尺度下的牙齿摩擦磨损机制，发现了多级抗磨的材料组成和

结构是牙齿具有优异耐磨性的内在因素；发现唾液和牙齿材料固有的微量水分及有机物具有协同润滑作用，为牙齿减摩抗磨提供重要支撑，再矿化可为牙齿酸蚀表面提供自修复保护，内外协同作用是保障牙齿摩擦副长期服役的根本原因。在基础上，该项目服务于牙齿局部修复或整体种植，研制了仿生人工牙，建立了牙齿修复的若干减摩抗磨设计准则，并得到临床验证和转化实施。

该项目视角独特、工医结合；从基础研究角度，旨在探索自然界的奥秘，为减摩抗磨的仿生设计开辟创新性途径；从应用角度，旨在提高人们的生活质量，为牙齿磨损的临床防治、新型修复牙的研发提供科学依据。发表的论著他引、评价情况以及团队负责人在该方向的学术地位显示，该项目丰富和发展了生物与仿生摩擦学理论，源创性强，在牙齿生物摩擦学研究领域整体处于国际领先水平。

该项目部分成果已获2012年度教育部自然科学奖一等奖。

推荐等级：国家自然科学奖二等奖

推荐专家3：郭东明院士（大连理工大学）；学科专业：机械工程

现代设计是制造业的灵魂，为何中国为制造大国而非制造强国，关键是因为相关设计的基础理论研究积累不足或数据严重缺乏，导致我国制造的包括医疗器械在内的部分高端装备及其零部件的服役使用寿命较低。

面对生物器官耐磨奥秘的前沿探索以及老龄化、疾病等带来的大量修复牙的延寿问题，该项目把人类牙齿摩擦副作为研究对象，对天然牙齿和若干典型牙科修复材料的生物摩擦学机理开展了深入系统的研究，取得的重要创新成果如下：揭示了不同尺度下的牙齿材料摩擦磨损机制，发现牙齿多级抗磨的材料组成和结构是其具有优异耐磨性的内在因素；发现协同润滑是牙齿减摩的重要途径，再矿化是牙齿磨蚀表面自修复的重要机制，内外协同作用是保障牙齿摩擦副长期服役的根本原因；基于牙齿的耐磨机制，提出了材料、结构、润滑、自修复等多因素协同减摩抗磨的仿生设计方法；研制了仿生人工牙，建立了牙齿修复的若干减摩抗磨设计准则，相关成果已得到临床验证和转化实施。

该项目工医结合，历时长；研究方法自成体系、成果系统完整，基础和应用研究相结合，丰富和发展了摩擦学设计理论体系。该项目得到国内外学者的高度评价，形成了富有特色的牙齿生物摩擦学研究方向，整体处于国际领先，在相关领域产生了重大的国际学术影响。

该项目部分成果已获2012年度教育部自然科学奖一等奖。

推荐等级：国家自然科学奖二等奖

3、项目简介

摩擦磨损是导致能源和材料消耗、装备运行失效的重要原因，而向自然学习则是减摩抗磨设计的重要方向。牙齿，就是一个典型的具有优异耐磨性能的生物

器官，而人们对其耐磨功能形成机制知之甚少；同时，由于老龄化等原因，仅我国就有逾5亿人牙齿缺失有待修复，然而由于缺乏对牙齿生物摩擦学机理的系统了解，各种修复牙的综合性能亟待极大提高。开展对牙齿摩擦学问题的系统深入研究，不仅可以揭示牙齿耐磨的奥秘，丰富和发展生物与仿生摩擦学理论体系，为减摩抗磨的仿生设计开辟创新性途径，而且对牙齿过度磨损的临床防治、新型修复体的研发具有重要的应用价值。主要创新成果如下：

1．针对牙齿独特的多级结构特性，结合宏微观试验分析手段，创立了一套自成体系的牙齿生物摩擦学研究方法；从牙釉质、釉柱到纳米纤维束，揭示了牙齿材料在不同尺度下的摩擦磨损机制，建立了牙齿宏/微观结构与其优异耐磨性的构性关系；研究发现并验证了多级抗磨的材料组成和结构是牙齿具有优异耐磨性的内在因素。

2．发现牙齿表面唾液蛋白吸附膜和牙釉质内微量水分及有机物的协同润滑是牙齿减摩的重要机制，再矿化是牙齿磨蚀表面自修复的重要途径，两者的协同作用是牙齿摩擦副长期服役的可靠保障。

3．基于牙齿的耐磨机制，提出了材料、结构、润滑、自修复等多因素协同减摩抗磨的仿生设计方法；从材料组成和结构设计等角度,研制了仿生人工牙，建立了修复牙的若干减摩抗磨设计准则，相关成果已得到临床验证和转化实施。

第三方客观评价显示，该项目在国际上开拓并形成了牙齿生物摩擦学这一特色鲜明的学科方向，引领了该方向的研究发展：该项目负责人应邀作为该领域的“杰出权威”，为英国皇家物理学会会刊撰写专题评述封面论文，被认为“在世界范围内为该专题的进步作出了重要贡献”；由Springer出版的该领域的首部专著《Dental Biotribology》被同行专家称为“一部由国际公认学者撰写的适时而又权威之作”，国际生物摩擦学创始人、英国皇家学会院士D. Dowson称是“对（生物摩擦学）这一快速发展的重要领域的一个正确和可喜拓展”；作为该领域的代表性学者，36次应邀作为召集人或特邀专家出版专辑、作邀请报告或撰写特邀论文、组织或参与组织召开专业学术会议等；与Elsevier出版集团合作创建并担任主编的《Biosurface and Biotriblogy》期刊入选中国科技期刊国际影响力提升计划。

该项目发表SCI收录相关论文79篇；8篇代表性论文总他引551次，其中被美、英、澳等国院士在内的专家学者SCI他引251次，涉及96种SCI检索期刊、42个国家和地区；该项目负责人连续2年入选Elsevier发布的机械工程学科中国高被引学者；部分成果获2012年度教育部自然科学奖一等奖。

4、客观评价

该项目发表相关论著168篇（部），其中SCI收录79篇；8篇代表性论文（附件1-8）被他人引用551次，其中被美、英、澳等国院士在内的专家学者SCI他引251次，涉及96种SCI检索期刊、42个国家和地区（附件17）；五位主要完成人在国内外重要学术会议上累计作邀请报告39次，获发明专利5项。