冰模板技术(ice-templating technique)，又称冷冻铸造(freeze casting)、定向冷冻(directional freezing)，是利用冰晶的定向生长制备有序多孔材料的方法，由于其操作便捷、绿色环保、宏观及微观结构高度可控的特点，已被广泛应用于电子、航空航天、能源等学科，在多孔陶瓷、金属、碳材料等的合成中发挥了重要作用。
自然界中存在着诸多天然有序结构，如植物水分传输系统、贝壳、口腔组织中的牙釉质、牙本质、牙周膜等，而冰模板技术的特点为仿生材料的制备以及口腔软硬组织的仿生修复提供了新的思路。本文就冰模板技术的原理、调控手段及其在口腔医学领域的应用进展进行综述。
1.冰模板技术的原理及调控要点
1.1 冰模板技术的原理
冰模板技术的基本操作过程即在装有材料悬液的模具内部形成规则而适当的温度梯度，当模具内不受外界温度影响时，冰晶在悬液内部可以定向地由低温至高温沿温度梯度生长。在生长过程中，分散系发生相分离，冰晶将悬浮颗粒排除在外，此时悬浮颗粒被挤压在冰晶之间形成薄层，并随着冰晶层共同生长。
最后通过冷冻干燥技术使冰晶体升华。此时规则生长的冰晶被有序的孔隙取代，冰晶即成为孔隙形成的模板，从而得到具有取向性的有序多孔材料，“冰模板”的名称也由此而来。
1.2 冰模板技术的调控要点
对冰模板技术的调控过程本质上是对冰晶成核和生长过程的调控。获得稳定的悬浮液体系是通过冷冻获得均匀和有序的三维排列的多孔支架的首要条件。而冷冻参数的设置、模具的制作以及其中温度场的设计则是形成材料宏观形状和微观形貌的关键。
多年以来，冰晶生长过程中悬浮颗粒的行为已被大量研究，冷冻温度、悬浮液浓度和粘度、添加剂等因素对冰晶生长的调节作用已被广泛认同。根据模具中所设置的温度梯度的数量及方向，冰模板技术可分为模具中仅有自下而上的垂直向单一温度梯度的单向冷冻、依靠模具底部聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)楔形块同时形成垂直向和水平向温度梯度的双向冷冻，以及使用圆柱状导热模具作为冰晶成核表面，使冰晶自外周向中心或自中心向外周生长的径向冷冻。
这些不同的冷冻方式将形成形貌迥异的多孔结构。但传统冰模板技术制备出的材料结构相对单一，且仅依靠温度梯度来调控冰晶的成核和生长具有较多的不可控因素。为了解决以上问题，学者们近年来做出了多种探索和改进。
在单向冷冻温度场的基础上，学者们尝试叠加声场、电场、磁场等条件共同调控冰晶生长，获得了各种复杂多孔结构。当前悬浮液体系中所用的分散剂多为水，倾向于形成层状结晶，而有研究表明，使用不同的分散剂可以形成不同的晶体结构，如胞状、枝状、柱状等，从而在材料中形成不同形态的微孔结构，使微孔结构不再局限于单一的片层状形态。同时有学者对与液体直接接触的冷冻表面进行改性，实现了与模具中温度场协同调控冰晶生长的目标。
Zhao等使用具有不同方向润湿性梯度的冷冻表面配合单向冷冻获得了大尺寸片层多孔材料。Li等利用冷冻表面的纳米沟槽诱导冰晶有序成核，在单一温度梯度下形成了与双向冷冻类似的高度有序平行排列层状结构。此外也有诸多研究将冰模板技术与其他材料成型方法结合以整合不同方法的优势。
John等在使用三维打印形成巨孔的基础上采用冰模板技术在材料上形成微孔，这种多级孔结构极大地促进了成骨细胞和血管内皮细胞的迁移增殖。但与此同时，多项制备类似的宏、微孔结合材料的研究普遍认为三维打印要求墨水具有一定的粘弹性，冰模板技术要求分散系具有适当的流动性，这二者的平衡对悬浮液体系的配置提出了更高的要求。这些实践不仅拓展了冰模板技术的应用范围，也使更加多样化、功能化结构材料的制备成为可能。
2.冰模板技术在口腔医学中的应用
2.1 牙周组织再生
牙周组织包括牙龈、牙周膜、牙骨质和牙槽骨。在牙龈固有层和牙周膜中存在大量有序排列的胶原纤维束，牙槽骨中存在同心圆排列的哈弗系统。这些排列有序的结构不仅在不同方面对牙体产生支持作用，也为利用冰模板法构建形态和功能与之相似的仿生有序多孔材料提供了灵感。
Feng等利用双向冷冻法制备了具有长程有序多孔结构的仿生层状壳聚糖支架用于牙龈组织再生，与商用胶原膜相比，其不仅在体外研究中表现出良好的生物相容性、更优异的力学性能以及独特的形状记忆功能，而且平行层状结构在动物体内能更好地促进血管形成和软组织再生，同时还可以诱导巨噬细胞分化为M2型巨噬细胞，调控组织再生过程中炎症反应的进程。
有学者通过调节明胶溶液中温度场的位置使其产生方向各异的受定向冰晶生长动力学控制的亚微米级纵向多孔结构，从而制备出类天然牙周膜结构的明胶支架，有序排列的支架孔隙方向与人工牙牙根之间的角度可控，这一结构与天然牙周膜中抵抗牙齿-牙周膜-骨界面咀嚼载荷的主要结构相似。
此外，利用冰模板技术形成的层状平行孔隙为牙周膜干细胞的定向迁移提供了通道，有望诱导根面牙骨质形成。在牙周组织工程中，通过冰模板法成型的材料在不同温度梯度的诱导下形成排列有序且相互连接的微孔结构，在微观结构上与天然组织相似的同时有利于相关细胞的增殖、粘附和迁移以及营养物质的交换。
2.2 牙体组织再生
釉质作为人体内硬度最大的组织覆盖和保护了牙髓牙本质复合体，其基本结构为釉柱，釉柱及其内部晶体复杂且排列良好的分层微观结构使釉质拥有优异的硬度和韧性，但也对人工大规模仿生修复带来了极大的挑战。针对釉质的特点，Zhao等采用双向冷冻法，在垂直和水平两个温度梯度的引导下实现了涂覆无定形氧化锆的羟基磷灰石纳米线和聚乙烯醇的自组装，制备出同时具有高硬度、高强度、高粘弹性和高韧性的仿生人工釉质。
相比于亚毫米级的传统人工釉质制备技术，通过冰模板法组装的人工釉质不仅实现了天然釉质在微观尺度上密集平行排列的纳米线以及无机成分和有机成分交织的层次结构，同时在宏观尺度可加工为具有牙齿形态的材料，这些特点为釉质的仿生修复提供了可能。与釉质相似，牙本质中也存在大量有序排列的结构。
Ezeldeen等在三维打印的模具中对不同来源的壳聚糖和不同的交联剂进行单向冷冻，将冷冻干燥后的支架材料应用于牙根组织工程，结果表明使用冰模板法成型的微孔孔径符合人牙髓干细胞迁移的需要，并且其方向为径向的，这种方向性模仿了天然牙本质的结构，有利于人牙髓干细胞的附着、增殖，有望诱导其分化为成牙本质细胞和促进后期矿化组织的沉积。
相似地，Campodoni等在明胶聚合物上将镁取代羟基磷灰石成核得到生物矿化的杂化薄片，然后将其加入到由明胶和壳聚糖组成的基质中进行定向冷冻，以开发具有定向多孔结构的仿牙本质三维复合材料，体外实验结果证实这种在结构和组分均应用仿生理念的材料能够重建向细胞传递特定生物信号的微环境，从而有效地刺激细胞的粘附和增殖，在牙本质再生方面有较好的应用前景。
2.3 其他
冰模板技术还可用于基础实验材料、其他组织再生以及临床修复材料等方向的研究。细胞毒实验是在体外检测牙体修复材料对牙髓细胞反应性的重要手段之一，而当前细胞毒实验的主要检测手段多不能准确反映临床工作中修复材料与牙髓细胞相隔牙本质的分离状态，因此Zhao等在一项研究中使用单向冷冻法制备了一种微观结构和渗透性与天然牙本质小管相似的羟基磷灰石陶瓷，可作为人牙本质的替代品用于牙髓细胞毒性测试中的屏障，从而提高细胞毒实验结果与体内实验结果的相关性。
此外，从口腔中提取的干细胞可与冰模板法构建的有序多孔支架材料联合应用于其他具有有序微观结构组织的仿生修复，如Chen等将牙周膜干细胞接种于使用冰模板法成型的定向丝素蛋白支架上用于肌腱组织再生，体内外研究结果显示牙周膜干细胞有较高的肌腱分化潜能，而丝素蛋白定向支架提供了模拟肌腱组织中排列整齐的胶原纤维结构，二者结合可有效促进肌腱的修复再生。
在牙体缺损修复材料方面，为了弥补现有椅旁计算机辅助设计制造(computer aided design/computer aided manufacturing，CAD/CAM)修复材料强度、韧性、硬度以及微观结构为各向同性等缺陷，Algharaibeh等采用双向冷冻法制备了仿珍珠陶瓷/聚合物复合材料，与现有商用CAD/CAM 材料相比其表现出更接近人类釉质和牙本质的机械性能，特别是在阻断裂纹扩展的性能方面与天然釉质牙本质相似，其在微观层面排列整齐的各向异性结构对上述特性产生了积极的影响，因此可为构建与牙体组织性能匹配度更高的新型椅旁CAD/CAM 材料带来希望。
3.总结与展望
近年来冰模板法在生物医学领域，特别是各类组织工程支架材料的构建方面展现出独特的优势，国内外相关研究多集中于骨再生、神经再生、血管再生等方向。目前在口腔医学领域，学者们多将冰模板法应用于口腔软硬组织工程有序多孔支架材料的成型，通过在模具中设置不同方向的温度梯度、控制悬浮液的配比和冻结温度等措施从而在冷冻干燥后使材料中产生不同大小、方向排列整齐的微孔。
在相关研究中使用冰模板法成型的材料可表现出在机械性能、生物学功能以及微观结构类似天然组织的特点，显示了仿生修复口腔软硬组织的潜能。然而不足的是，当前诸多研究尚处于体外实验阶段，如何将已制备的仿生材料有效应地用于实际临床工作中仍有待学者们进一步研究。
此外，仅采用冰模板法成型的材料在微观层面上多表现为同一种分散质平行或辐射状排列的状态，形式较为单一，尚不能完全反映口腔各种软硬组织无论在组分和结构上均表现出的层次化复杂结构。因此对冰模板法更加精准、多维度地调控，以及将冰模板法与其他方法联合应用以探索仿生程度更高、可行使复杂功能的材料成型方法成为了下一步研究的重点方向。
