本研究由Yuhan Ma、Huihua Wang、Yang Xiang、Mingxing Li、Dongni Shen、Sisi Zhang、Xiaojian Zhou、Jun An、Ying Shi*和Baiping Fu*合作完成，主要作者来自浙江大学医学院附属口腔医院、浙江省口腔疾病临床研究中心、浙江省口腔生物医学研究重点实验室以及Thales Medical Technology公司。该研究发表于《Dental Materials》期刊2024年9月刊（Volume 40, Pages 1991–1999）。

学术背景

氧化锆（zirconia）陶瓷因其优异的机械性能、生物相容性、化学稳定性和美学效果，已成为口腔修复学中的重要材料。然而，传统减材制造（subtractive manufacturing, SM）技术生产的氧化锆修复体表面光滑且化学惰性高，导致其粘接性能较差，尤其在作为间接粘接修复体时，脱粘（debonding）是临床失败的主要原因。尽管已有多种表面处理方法（如喷砂处理（airborne-particle abrasion, APA）、硅涂层、激光蚀刻等）被用于改善氧化锆的粘接性能，但这些方法往往操作复杂或存在潜在风险。近年来，纳米颗粒喷射（nanoparticle jetting, NPJ）3D打印技术因其高精度特性，为氧化锆表面微结构的定制化设计提供了新可能。本研究旨在探索通过NPJ技术优化氧化锆表面微结构，结合APA处理和含10-甲基丙烯酰氧癸基二氢磷酸酯（10-methacryloloxydecyl dihydrogen phosphate, MDP）的树脂水门汀，以提高氧化锆的粘接强度和耐久性。

研究流程

1. 表面微形貌优化设计

   • 使用Rhino 3D软件设计不同几何形状（圆形、方形、三角形）和孔隙率（50%、60%、70%）的氧化锆微结构表面模型。
     
   • 通过三维有限元分析（finite element analysis, FEA）评估应力分布，选择最大主应力（maximum principal stress, MPS）最小的结构作为优化方案。分析参数包括孔隙体积（void volume）、倒凹体积（undercut volume）和表面积扩大率（enlarged surface area）。
     
   • 最终确定圆形微结构（孔隙率60%、深度约20 μm、倒凹宽度约10 μm）为最优设计。
     

2. NPJ打印氧化锆试件制备

   • 使用Carmel 1400 NPJ 3D打印机（XJet）制备3 mol%氧化钇稳定四方氧化锆多晶（3Y-TZP）圆盘（φ10×2 mm）和圆柱（φ3×3 mm），样本量128个。
     
   • 打印后通过水洗去除支撑结构，并在马弗炉中烧结。
     

3. 分组与表面处理

   • 试件分为4组：
     
     • A组：未处理表面；
       
     • B组：APA处理（50 μm Al₂O₃，0.1 MPa压力，15秒）；
       
     • C组：优化微结构表面；
       
     • D组：优化微结构+APA处理。
       

4. 粘接与剪切强度测试

   • 使用含MDP的树脂水门汀（Clearfil SA Luting Cement）粘接试件，分别测试未老化及10,000次热循环（5–55°C）后的剪切粘接强度（shear bond strength, SBS）。
     
   • 通过万能试验机（Instron 5960）以0.5 mm/min速度测试SBS，数据经单因素方差分析（ANOVA）和Tukey检验。
     

5. 失效模式与表面表征

   • 光学显微镜观察失效模式（粘接失效、混合失效、内聚失效）；
     
   • 扫描电镜（SEM）和三维干涉显微镜分析表面形貌及粗糙度（Sa）；
     
   • X射线衍射（XRD）检测氧化锆晶相（四方相t-ZrO₂和单斜相m-ZrO₂）。
     

主要结果

1. 有限元分析：圆形微结构（60%孔隙率）的树脂水门汀区域MPS最低，表明应力分布最均匀。
   
2. 剪切强度：
   
   • 老化前，D组SBS最高（47.27±6.64 MPa），显著高于其他组（p<0.05）；
     
   • 老化后，D组仍保持最高强度（44.86±6.43 MPa），且强度下降率最低（5.10%）。
     
3. 失效模式：D组混合失效比例最高，表明微结构与APA协同增强了机械嵌合。
   
4. 表面表征：
   
   • SEM显示优化微结构与设计模型一致，APA处理后微结构未受损；
     
   • XRD证实APA未引发显著t→m相变，避免了微裂纹风险。
     

结论与意义

本研究首次通过NPJ技术设计并制备了具有优化微结构的氧化锆表面，结合APA和MDP树脂水门汀，显著提高了粘接强度和耐久性。其科学价值在于：
1. 为氧化锆表面微结构设计提供了FEA指导的量化标准；
2. 证实NPJ技术在高精度口腔修复体制造中的潜力；
3. 为无辅助固位形式的粘接修复体提供了临床解决方案。

研究亮点

1. 创新方法：将NPJ打印与FEA结合，实现微结构的精准优化；
   
2. 跨学科应用：融合材料科学、力学分析和口腔修复学；
   
3. 临床意义：解决了氧化锆粘接耐久性难题，尤其适用于边缘性病例（如薄壁修复体）。
   

其他发现

研究还指出，NPJ打印过程中滚轮留下的周期性微沟槽（20–50 μm宽）可能通过增加粗糙度进一步提升粘接性能，这为未来表面设计提供了新思路。