中國粉體網訊 隨著口腔修復技術的不斷發展，口腔修復材料的種類也逐漸增多。陶瓷由于具有良好的機械性能、生物相容性和結構穩定性，已被廣泛應用于牙科修復材料的各個領域。根據陶瓷種類的不同，齒科全瓷材料有熱壓鑄瓷、玻璃陶瓷和氧化鋯陶瓷等[1]。熱壓鑄瓷和玻璃陶瓷的強度比較低。與之對比，氧化鋯陶瓷由于單斜相和四方相的相變增韌而具有更高的力學性能，更適合用作齒科材料。另外，氧化鋯還具有以下幾個優點：結構穩定，在口腔環境中不發生反應，具有良好的生物相容性，透光性比較高。所以，超過95%的全瓷冠和連橋結構都是由氧化鋯陶瓷制成的[2,3]。
2氧化鋯陶瓷的性能概述[1]
2.1氧化鋯陶瓷的基本性質
高純度的氧化鋯粉體呈白色，氧化鋯陶瓷呈白堊色。相對分子質量123.223g/mol，密度5.85g/cm3，熔點2715℃。氧化鋯有三種晶體結構，單斜相、四方相、立方相。這三種晶體結構在不同的熔點有不同形態，并且在一定溫度條件下會發生轉換。單斜相和四方相相互轉變的溫度在1150℃左右，四方相和立方相相互轉變的溫度在2370℃左右。在四方相氧化鋯向單斜相氧化鋯轉變的過程中發生馬氏體相變，并且伴隨著體積膨脹[4]。
2.2氧化鋯陶瓷的增韌[5]
與金屬相比，陶瓷材料的斷裂韌性通常低1~2數量級。氧化鋯陶瓷可以通過不同的增韌方式來提高其斷裂韌性，主要增韌機理有：應力誘導相變增韌、微裂紋增韌、微裂紋的彎曲、分叉與橋接增韌、晶須增韌、彌散增韌、細晶強化、纖維增韌等，在實際應用中氧化鋯陶瓷材料韌性的提高往往是多種增韌機制共同作用的結果。目前實驗室測量氧化鋯陶瓷斷裂韌性應用最多的方法有：單邊切口梁法和壓痕法。
氧化鋯陶瓷韌性的研究早在20世紀50年代就已經開始，1975年之后隨著相變現象被發現，一些研究者[6]認為應力誘導相變增韌是氧化鋯陶瓷因外應力作用而產生裂紋，裂紋尖端的應力能夠誘發t→m馬氏體相變（如圖1所示為應力作用下發生的t→m相變過程），相變晶粒產生的體積膨脹會抑制裂紋擴展，從而提高材料的韌性。但是，在相變初始階段，裂紋尖端120°夾角內存在的膨脹變形會引起氧化鋯韌性降低，如圖2所示，之后體積膨脹會抑制裂紋擴展，使韌性迅速提高，當裂紋擴展至5~10h時，斷裂韌性增長緩慢[7]。
圖1應力誘導t→m相變過程
圖2相變區中裂紋擴展伴隨韌性提高的示意圖
2.3氧化鋯陶瓷的低溫氧化[8]
在低溫潮濕環境下，氧化鋯發生t-m相變老化的本質是馬氏體相變：是非熱力學、無擴散的晶體結構變化。低溫老化首先在材料表面發生t-m相變，相變伴隨著體積膨脹使材料表面產生凸起及微裂紋、美學性能退化；隨后水分子沿微裂紋滲透到基體內部，引起材料內部的氧化鋯發生t-m相變，導致宏觀裂紋產生(圖3)[9]，最終力學性能下降，甚至引起突發失效經過大量的實驗研究，低溫老化過程的特征主要包括4點：1)低溫老化是不導熱的自催化過程，t-m相變老化是通過m相的形核-長大（N-G）機制進行的[10]；2)老化條件（溫度、時間、水或水蒸氣）改變會加速氧化鋯老化行為；3)老化會導致材料m相含量增加、韌性下降、美學性能退化[9]；4)穩定劑含量和晶粒尺寸直接影響氧化鋯抗低溫老化性能。
圖3氧化鋯老化前后的形貌對比
3齒科氧化鋯陶瓷的制備工藝[11]
目前氧化鋯牙科陶瓷的制備工藝主要分為2大類：一類是通過從塊體中去除多余材料實現異形成形；另一類是通過添加材料直接實現異形成形。
3.1CAD/CAM磨削技術
隨著電腦輔助設計/加工（CAD/CAM）技術的興起，牙齒修復體的成形更加方便快捷，大大滿足了市場需求[12]。具體過程如下：首先需要對病人損傷部位進行傳統的壓模、制模處理，隨后將模型進行掃描之后利用CAD/CAM技術對塊體進行磨削、拋光加工處理，最終得到所需形狀的修復體。根據機加工前塊體材料的致密化程度，可分為硬加工和軟加工2種。硬加工出現的時間較早，需將陶瓷材料完全燒結，使其致密度達到99%，然后將得到的塊體進行機加工成型。軟加工通常是先將氧化鋯粉末冷等靜壓成塊體，然后進行預燒結。隨后機加工成型，再燒結得到最終的修復體。
3.2 3D打印技術
在牙科方面，3D打印技術也已被用來制作牙齒模型，用以滿足病人個性化的需求，提高了生產效率。3D打印技術已發展出多種加工形式，包括噴墨打印技術、選擇性激光燒結、立體平板印刷、擠壓自由成型等。3D打印技術更適合于制作牙冠、牙橋、種植體、贗復體等具有復雜曲面結構的修復體。目前3D打印生物陶瓷材料仍處于初級階段，相關研究多停留在體外實驗，尚未有臨床試驗的報道。同時全瓷修復體及支架的密度、尺寸、孔隙結構、表面強度等技術問題尚未完全解決[13]。
4氧化鋯陶瓷在牙科種植領域的優勢[14]
氧化鋯由于其極高的耐腐蝕性和優良的力學性能，被認為是一種適合應用于牙科修復的陶瓷材料。與其他種植體相比，氧化鋯種植體的顯著優勢在于：
（1）衛生：研究表明，氧化鋯種植體由于其較差的表面潤濕性能會減少細菌的黏附和生物膜積累，與鈦種植體相比，表面保留的牙菌斑更少，周圍組織發生炎癥反應的風險更低，這將促使種植體周圍的牙齦更加健康衛生；
（2）美觀：氧化鋯的優點在于它本身的顏色明亮潔白，與天然牙齒的顏色接近，作為牙根的替換基材，比金屬種植體看起來更加自然，也消除了因金屬植入物造成的牙齦線變暗的可能，符合人們對審美的要求；
（3）強度：氧化鋯種植體的力學強度與鈦種植體相當，同時具有極強的斷裂韌性和耐磨性，符合牙科種植體的強度要求；
（4）生物相容性：氧化鋯屬于生物惰性材料，具有優良的生物相容性，對機體不產生毒性，不會引起過敏和炎癥反應；
（5）骨整合性能：研究表明，氧化鋯種植體與鈦種植體具有非常相似的骨性接觸，骨結合水平與鈦合金相當，這些發現表明，氧化鋯種植體可以達到穩固的骨質穩定性；
（6）化學性質穩定：氧化鋯具有穩定的化學性能，抗腐蝕能力極強，能長期存在于口腔環境中不發生任何反應。
5結語
近年來，氧化鋯憑借其優良的美學性能、機械性能等特點成為牙齒修復體的研究熱點，說明氧化鋯陶瓷在牙科修復領域潛力巨大。當前，人口老齡化日趨嚴重，人們對美好生活的向往更加強烈。隨著齒科氧化鋯陶瓷抗老化性能的提高，以及健康功能化的未來需求，氧化鋯在生物醫用領域的應用將會更加廣泛。
參考文獻
[1]李方亮.牙科氧化鋯陶瓷的制備及著色處理研究[D].沈陽工業大學,2023.
[2]Zhu D B,Song Y J,Liang J S,et al.Progress of toughness in dental zirconia ceramics[J].Journal of Inorganic Materials,2018,33(4):363.
[3]Takeichi T,Miura S,Kasahara S,et al.Update zirconia restorations[J].Journal of prosthodontic research.2015,59(2):81.
[4]Sōmiya S,Yamamoto N,Yanagida H.Science and technology of zirconia[J].American Ceramic Society.1986.
[5]朱東彬,宋艷軍等.齒科用氧化鋯陶瓷韌性研究進展[J].無機材料學報,2018,33(04): 363-372.
[6]Garvie R C, Nicholson P S.Phase analysis in zirconia systems.Journal of the American Ceramic Society,2010,55(6):303–305.
[7]Kelly J R, Denry I.Stabilized zirconia as a structural ceramic:an overview. Dental Materials Official Publication of the Academy of Dental Materials,2008,24(3): 289-298.
[8]張曉旭,朱東彬等.齒科氧化鋯陶瓷水熱穩定性研究進展[J].無機材料學報, 2020, 35 (07): 759-768.
[9]Wu Z K,Li N,Yan J Z,et al.Effect of hydrothermal aging on the phase mtability,microstructure and mechanical properties of dental 3Y-TZP ceramics.Applied Mechanics and Materials,2014,529:251–255.
[10]Guo X.Hydrothermal degradation mechanism of tetragonal zirconia. Journal of Materials Science,2001,36(15):3737–3744.
[11]樊光嬈,蘇海軍等.牙科用氧化鋯陶瓷的穩定性、制備工藝及臨床應用研究進展[J].硅酸鹽學報,2018,46 (09):1263-1272.
[12]Li R W K, Chow T W, Matinlinna J P.Ceramic dental biomaterials and CAD/CAM technology: State of the art[J].J Prosthodont Res,2014,58(4): 208–216.
[13]李曉雪,樊世鋒等.3D打印生物陶瓷材料在口腔修復領域的研究進展[J].中國現代醫學雜志,2023,33(04):39-45.
[14]秦艷萍.生物活性氧化鋯牙科種植體材料的制備與性能研究[D].華南理工大學,2022.
（中國粉體網編輯整理/青黎）
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