自锐利的设计蓝图：乌鳢牙齿中几何优化与多尺度结构的协同设计

Sat, 21 Mar 2026 12:00:00 +0800

2026年3月21日，武汉理工大学傅正义院士团队邹朝勇研究员等在《Advanced Functional Materials》上发表了"A Blueprint for Self-Sharpening: Optimized Geometric Design Coupled With Multiscale Architecture in Northern Snakehead Teeth“的研究成果。

1. 研究背景

在自然界中，生物矿物（如骨骼、牙齿和鳞片）展现出精细的微观/宏观结构。这些结构通常在常温环境下形成，却具有卓越的机械性能（包括强度、韧性和耐磨性），其综合表现往往优于人工合成材料。作为脊椎动物中矿化程度最高的生物组织，牙齿兼具高断裂韧性、高压缩强度和出色的耐磨性，成为仿生结构材料设计的典范。

与哺乳动物相比，鱼类——尤其是肉食性鱼类牙齿呈现出显著的功能特化特征。例如，黑鼓鱼的臼齿状咽齿专门用于粉碎硬壳生物，而食人鱼的锯齿状牙齿则适应于咬碎坚果。这种多样性为开发新型高性能材料和生物过程启示的制备技术提供了丰富的设计原理库。对于穿刺型捕食者而言，锋利的牙齿对于集中应力、穿透猎物至关重要。然而，这种锋利性本身就是一个力学悖论：减小接触面积以增加应力，同时也会使牙齿更容易发生断裂和磨损。为了解决这一矛盾，肉食性鱼类演化出了复杂的生物矿化策略，包括矿物相选择、晶体取向调控和有机-无机界面优化等。

乌鳢（Channa argus）是东亚淡水生态系统中的顶级伏击捕食者，其惊人的环境适应性（如耐低氧）和贪婪的捕食行为（捕食鱼类、甲壳类、两栖类等）使其成为生态和演化研究的重要对象。乌鳢的成功捕食高度依赖于其口腔内两套高度特化的齿系：锋利的口齿用于穿刺、钩住并牢固锚定挣扎的猎物，咽齿则负责进一步撕裂猎物以便吞咽。这种高效的捕食过程对乌鳢牙齿的形态、微观结构和力学性能提出了严苛要求。然而，尽管乌鳢的生态学和养殖学已有充分记载，对其牙齿结构-性能关系的多尺度分析却完全空白。

2. 研究内容

该团队通过多尺度表征手段（包括显微CT、拉曼光谱、能谱分析、扫描电镜）结合先进力学测试（纳米压痕、原位压缩CT）和有限元模拟，系统揭示了乌鳢牙齿的多尺度设计原理。

梯度矿化的牙釉质结构

研究发现，乌鳢牙齿尖端仅存在约200 μm厚的帽牙釉质（enameloid），且呈现出自尖锐的特性（图1）。多尺度表征（CT、拉曼、能谱、SEM及纳米压痕）结果显示，牙釉质呈现出功能梯度结构（图2、3、5）：外层为高度取向的氟磷灰石（FAP）纳米棒束，其长轴平行于齿尖方向，实现了优异的硬度（5-6 GPa）和耐磨性；内层则为交织排列的紊乱结构，通过裂纹偏转有效提高韧性。这种梯度设计使较薄的牙釉质层实现了高效穿刺、耐磨损、自尖锐的功能，为涂层、钻头等的设计提供了启示。

牙本质-釉质界面（DEJ）及牙本质多级结构

帽牙釉质的下面依靠牙本质承托，牙釉质和牙本质通过DEJ紧密连接。乌鳢牙齿的DEJ呈现出"山峰状"几何结构。有限元模拟表明，该设计能有效重新分布界面剪切应力，降低牙本质中的应力集中，从而防止灾难性断裂（支撑图19）。牙本质由高度有序的胶原纤维矿化构成，胶原纤维沿牙齿长轴方向排列。牙本质小管从中央牙髓腔向外辐射发散，形成多级管道网络（图4）。这种多级管道以及沿牙齿长轴排列的矿化胶原纤维结构，能使牙本质在咬合过程中高效吸收能量。

自锐利机制

通过原位压缩CT研究发现牙齿在磨损过程中，尖端牙釉质呈现裂纹偏转，局部片状剥离，不会灾难性崩裂，并形成新的锋利尖端，这与牙釉质的梯度结构密切相关。当牙釉质全部损坏后，牙本质受压会发生明显的破坏，使牙齿功能失效（图6）。在鱼类的一生中，可以通过不断替换新的牙齿来维持摄食功能。有限元模拟揭示了乌鳢牙齿（约26°的生理弯曲）在咬合和撕扯猎物时，应力更容易集中在牙齿的凹面，这导致牙釉质更容易在凹侧发生脆性断裂和剥落（图7）。这一过程在牙齿的使用过程中持续再生出锋利的切割点，解释了牙齿在使用中如何保持锋利。

3. 总结展望

在本工作中，团队研究了乌鳢牙齿的多尺度设计原理，揭示了牙齿通过梯度釉质、应力耗散的"山峰状"界面、韧性牙本质以及宏观曲率的协同整合，实现高效的穿刺功能，并在使用过程中保持自尖锐。该研究为下一代轻量化、自锐利工具的仿生设计提供了基础蓝图。

该成果得到了"变革性技术关键科学问题"重点专项"生物过程启示的陶瓷材料室温制备关键科学问题"项目（2021YFA0715700）、国家自然科学基金（52172287, 12522204）和湖北省创新群体项目（2024AFA002）等项目的资助。感谢华控（苏州）智能装备有限公司提供了原位力学加载装置及原位CT表征。

武汉理工大学2023级博士研究生郭俊艳为文章第一作者，武汉理工大学邹朝勇研究员、傅正义教授为本论文的通讯作者。

4. 论文信息

Junyan Guo, Ping Yuan, Xiangyin Pan, Zhuanfei Liu, Zeyao Fu, Yinbo Zhu, Zhengyi Fu and Zhaoyong Zou, A Blueprint for Self-Sharpening: Optimized Geometric Design Coupled with Multiscale Architecture in Northern Snakehead Teeth. Advanced Functional Materials, 2026, 0: e32022.

https://doi.org/10.1002/adfm.202532022

梯度结构 | 生物过程的启示