牙齿生物摩擦学机理研究.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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、

9、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. D

10、owson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

11、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。1有关该项目的总体评价2008年，针对牙齿材料摩擦学这一“当前具有浓厚兴趣的领域”，应英国皇家物理学会会刊（D）的邀请，项目负责人作为该领域的“杰出权威（an eminent authority）”（附件20）为该期刊撰写专题评述封面论文；该论文被认为“在世界范围内为

12、该专题的进步作出了重要贡献”，并入选为该学会系列期刊中季度下载率超过250次的前10论文（附件21）。2013年，由Springer出版的该领域的首部专著Dental Biotribology被国际同行专家称之为“一部出自中国的国际公认的学者撰写的及时而又权威之作”（附件22）；国际生物摩擦学学科创始人、英国皇家学会院士Dowson教授在为该书亲自撰写的序言中称“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的拓展。这是一项具有挑战性的艰巨工作，让（牙科）病人受益”（附件23）；出版仅半年就被他人付费下载1070次（附件24）。相关成果“牙齿磨损机理及抑制研究”获得2012年度教育部

13、自然科学奖一等奖（附件25）。 2.代表性论文他引情况检索显示，论文他引不仅呈现较大篇幅或多篇论文被同一论文引用的特点，而且建立的实验研究方法已被国际上较多研究机构采纳和跟踪研究，获得的实验数据或结论得到他人较系统介绍或验证，成为他人进一步分析和计算的依据。在检索到的工程类、医学类的他人发表的3篇综述性论文中，该项目被列为主要内容之一进行了较大篇幅的介绍或多篇论文被引用；2005年英国工程摩擦学学报主编、谢菲尔德大学教授R. Dwyer-Joyce在其题为“人类牙齿磨损的摩擦学展望”的评述论文中大篇幅引用该项目2篇论文（包括原图3幅），详细介绍了该项目在实验研究方法、宏观尺度下的耐磨性能及构性

14、关系方面的成果（附件9）；2012年新西兰奥塔哥大学牙科医学院M.V. Swain教授团队在Oral Rehabilitation上发表的综述论文中引用该项目5篇代表性论文，重点介绍了该项目的体外模拟实验方法、唾液吸附及食物方面的成果（附件10）；2012年法国波尔多大学B. Maureille教授团队在Archives of Oral Biology上发表一篇综述论文中引用3篇论文(其中代表性论文1篇)，主要介绍了该项目的宏介观尺度下的牙齿耐磨性能与牙釉层、牙本质层，与釉柱、釉间质的关系等（附件11）。澳大利亚新南威尔士大学M. Hoffman院士团队一直高度关注和跟踪该项目的工作，2010

15、年以来在他们发表的系列论文中每篇均引用该项目的多篇论文并进行较大篇幅的介绍，包括该项目建立的牙齿摩擦学实验方法、耐磨机制、唾液润滑、酸蚀影响与再矿化修复等，相关成果已成为他们进一步研究和比较的重要依据之一；附件12就是其中之一，引用了4篇代表性论文。2014年美国国家标准技术研究所、美国工程院院士B.R. Lawn教授在其牙釉质磨损率预测模型的研究论文中将该项目关于球面接触的牙釉质磨损量与位移、载荷之间的关系作为验证其理论模型的主要证据之一（附件13）。2011年奥地利、德国、美国等学者联合撰写的论文中引用了3篇论文(其中代表性论文2篇)，把该项目获得的在人工唾液润滑工况下的摩擦系数作为他们分

16、析计算人类磨牙应力的重要依据（附件14）；关于微/纳硬度测试结果差异的本质原因已得到普遍公认，例如，瑞士联邦高等工业大学Nelson教授等在其Advanced Functional Material学报（IF：11.382）论文中指出“.不同测量技术和/或不同载荷得到的硬度进行对比时需要特别小心。这种差异依据所测材料的不同可高达10-30%”（附件15）。2015年荷兰飞利浦研究中心Gerhardt研究员等较大篇幅引用该项目的7篇论著(其中代表性论文5篇)（附件16），建立的实验研究方法被他们采纳和研究，研究结果得到他们的验证，指出“酸蚀牙齿表面硬度降低30-50%，磨损体积增大到2-4倍；我

17、们关于双氧水处理导致牙齿硬度和磨损的变化规律和郑等的结果相当一致”。进一步检索显示，该项目建立的研究方法被他人采纳并以此开展研究的国外研究机构至少还有葡萄牙塞图巴尔理工大学(如发表在Wear 297(2013) 872-877上的论文较大篇幅引用了该项目的6篇论文)、波兰比亚韦斯托克工业大学、印度坎普尔理工学院、奥地利莱奥本矿业大学等。3. 该领域学术地位和影响力的主要体现该项目负责人在2011年应邀在英国帝国理工大学举行的、在本领域规模最大的首届生物摩擦学国际会议上作“关于人类牙齿耐磨性研究”的邀请报告（附件26），2009年应邀在日本京都举行的第四届世界摩擦学大会人体摩擦学专题会议上作邀请

18、报告（附件27），上述报告均是这些会议上牙齿摩擦学方向唯一的邀请报告；2010年应邀作为第一客座主编，与英国机械工程师协会会刊（J）主编R. Dwyer-Joyce合作编辑出版“Oral and Dental Tribology”专辑（附件28），这是该领域在工程类国际学术期刊上出版的第一本专辑；2005年应英国皇家学会院士D. Dowson教授等的邀请（附件29），与剑桥大学等著名大学的学者一起，分别为英国机械工程师协会会刊（J）的“Biotribology”专辑撰写特邀论文，介绍了国际生物摩擦学研究领域取得的最新进展（附件30）；2010年应邀为Springer出版的Encyclopedi

19、a of Tribology（摩擦学百科全书）撰写其中的“口腔摩擦学”章节（附件31）。该项目负责人2015年与Elsevier合作创建并担任主编的期刊Biosurface and Biotriblogy入选中国科技期刊国际影响力提升计划（附件32）；连续2年（2014、2015）入选Elsevier发布的机械工程学科中国高被引学者（附件33）。5、代表性论文专著目录1）H. Li, Z.R. Zhou, Wear behaviour of human teeth in dry and artificial saliva conditions, Wear, Vol.249, 2002, 980

20、-9842）J. Zheng, Z.R. Zhou, J. Zhang, H. Li, H.Y. Yu, On the friction and wear behaviour of human tooth enamel and dentin, Wear, Vol.255, 2003, 967-9743）L.M. Qian, M. Li, Z.R. Zhou, H. Yang, X.Y. Shi, Comparison of nano-indentation hardness to microhardness, Surface & Coatings Technology, Vol.195, 20

21、05, 264-2714) H.Y. Yu, Z.B. Cai, P.D. Ren, M.H. Zhu, Z.R. Zhou, Friction and wear behaviour of dental feldspathic porcelain, Wear, Vol.261, 2006, 611-6215) J. Zheng, Z.R. Zhou, Friction and wear behaviour of human teeth under various wear conditions, Tribology International, Vol.40, 2007, 278-2846)

22、Z.R. Zhou and J. Zheng, Topical review: Tribology of dental materials: a review, Journal of Physics D: Applied Physics 41(2008), 113001(22pp)7) J. Zheng, F. Xiao, L.M. Qian, Z. R. Zhou, Erosion behavior of human tooth enamel in citric acid solution, Tribology International, Vol.42, 2009, 1558-16648）

23、J. Zheng, Y. Li, M.Y. Shi, Y.F. Zhang, L.M. Qian, Z.R. Zhou, Microtribological behaviour of human tooth enamel and artificial hydroxyapatite，Tribology International, Vol.63, 2013，177-1856、主要完成人情况1） 姓名：周仲荣 排名：1 行政职务：校长助理、院长技术职称：教授 工作单位：西南交通大学完成单位：西南交通大学对本项目技术创造性贡献:创立了一套自成体系的牙齿生物摩擦学研究方法，揭示了牙齿材料在不同尺度下的

24、摩擦磨损机制，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；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等（涉及创新点1、2的主体部分和创新点3的部分内容），是所有8篇代表性论文的通讯作者,是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第一完成人。2） 姓名：于海洋 排名：2 行政职务：副院长技术职称：教授 工作单位：四川大学完成单位：四川大学对本项目技术创造性贡献:发现相对于预成的Cerec Vitablocs Markll可切削长石质陶瓷，实验

25、室烧结成的硬度较高的Vita 95类陶瓷材料与天然牙固有磨损量更为匹配，是一种更为理想的牙科修复材料；提出了磨损仿生人工牙的设计方法，实现牙科修复材料与天然牙磨损量的合理匹配；揭示种植牙为何随时间增加而其失效率增加的非生物医学原因。相关成果已得到临床验证或转化实施。涉及创新点3的主体部分和创新点1的部分内容，见代表性论文2、4，是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第二完成人。3） 姓名：郑靖 排名：3 行政职务：无技术职称：研究员 工作单位：西南交通大学完成单位：西南交通大学对本项目技术创造性贡献；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

26、其优异耐磨性的构性关系；揭示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，并从老年牙、病理性牙齿及人工合成羟基磷灰石材料中得到进一步验证；揭示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，再矿化是牙齿酸蚀表面自修复的重要途径。涉及创新点1、2的主体部分，见代表性论文2、5、6、7、8，是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第三完成人。4） 姓名：钱林茂 排名：4 行政职务：副院长技术职称：教授 工作单位：西南交通大学完成单位：西南交通大学对本项目技术创造性贡献；分析测试了牙齿表面的微纳硬度、弹性模量等机械性能，研究比较并揭示了纳米和微观硬度的差异及原

27、因，阐明了牙齿微观磨损性能与其微观组织结构的联系；研究揭示了酸蚀对牙齿表面磨损的作用机制等。涉及创新点1的主体部分，见代表性论文3、7、8，是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第四完成人。5） 姓名：黎红 排名：5 行政职务：无技术职称：教授 工作单位：浙江中医药大学完成单位：四川大学对本项目技术创造性贡献； 研究比较了干态与人工唾液条件下天然牙与若干金属材料组成的摩擦副的摩擦磨损特性，研究观测到在干态工况下天然牙磨损表面的焦化现象，比较发现纯钛材料具有较好的摩擦学匹配特性。涉及创新点1的主体部分，参见代表性论文1、2，是2012年度教育部自然科学奖一等奖的第五完成人。7、完成人合作关系说明

28、周仲荣：西南交通大学机械工程学院教授，该项目的学术负责人，所有8篇代表性论文的通讯作者，主要在牙齿生物摩擦学研究方法的创立、牙齿耐磨功能形成机制的揭示及仿生设计方法的提出等方面作出贡献。于海洋：四川大学华西口腔医学院博士，2002年至2004年在周仲荣指导下从事在职博士后研究，之后合作至该项目完成，主要在修复牙材料摩擦学机制、新型修复牙研制与应用等方面作出贡献。郑靖：周仲荣的博士研究生，2005年博士毕业留校后一直在同一课题组工作，主要在天然牙材料摩擦磨损润滑机制、牙齿表面酸蚀及再矿化等方面作出贡献。钱林茂：2002年回国后一直在周仲荣团队工作至该项目完成，主要在天然牙材料微纳硬度、弹性模量等

29、机械性能测试及牙齿微观磨损性能与其微观组织结构的联系研究等方面作出贡献；黎红：四川大学华西口腔医学院博士，1999年至2001年在周仲荣指导下从事在职博士后研究，主要在天然牙与修复材料的摩擦学匹配特性等方面作出贡献。完成人合作关系情况汇总表序号合作方式合作者（项目排名）合作时间合作成果证明材料备注1论文合著共同获奖专著合著于海洋代表性论文2排名5代表性论文4排名1教育部自然科学奖一等奖排名2；英文专著排名2约11年论文名称On the friction and wear behaviour of human tooth enamel and dentin；Friction and wear b

30、ehaviour of dental feldspathic porcelain奖励项目名称：牙齿磨损机理及抑制研究英文专著：Dental Biotribology附件2、4附件25附件222论文合著共同获奖专著合著郑靖代表性论文2排名1代表性论文5排名1代表性论文6排名2代表性论文7排名1代表性论文8排名1教育部自然科学奖一等奖排名3英文专著排名3约12年论文名称：On the friction and wear behaviour of human tooth enamel and dentin；Friction and wear behaviour of human teeth unde

31、r various wear conditions； Tribology of dental materials a review ；Erosion behavior of human tooth enamel in citric acid solution ；Microtribological behaviour of human tooth enamel and artificial hydroxyapatite 奖励项目名称：牙齿磨损机理及抑制研究英文专著：Dental Biotribology附件2、5、6、7、8附件25附件223论文合著共同获奖专著合著钱林茂代表性论文3排名1代表性论文7排名3代表性论文8排名5 教育部自然科学奖一等奖排名4英文专著排名4约10年论文名称：Comparison of nano-indentation hardness to microhardness； Erosion behavior of human tooth enamel in citric acid solution ；Microtribological behaviour of human tooth enamel and artificial hydroxyapatite奖励项目名称：牙齿磨损机理及抑制研究英文专著：Dental Biotribol