面向椅旁应用的快速烧结氧化钙稳定氧化锆：兼具高强度、高韧性与半透明性的新型修复体

主要作者与研究机构

本研究由比利时鲁汶大学（KU Leuven）口腔健康科学系生物材料部（BIOMAT）及材料工程系的A. Vettorel、B. V. Meerbeek、J. Vleugels和F. Zhang（通讯作者）共同完成。该研究成果发表于国际牙科、口腔及颅颌面研究协会（IADR）与美国牙科、口腔及颅颌面研究协会（AADR）的官方期刊《Journal of Dental Research》2026年卷，DOI号为10.1177/00220345261435597。

研究背景

稳定化氧化锆陶瓷，包括四方氧化锆多晶体（Tetragonal Zirconia Polycrystal, TZP）和部分稳定氧化锆（Partially Stabilized Zirconia, PSZ），因其优异的力学性能和生物相容性，被广泛应用于口腔固定修复领域。传统上，以3-6 mol%氧化钇（Y₂O₃）稳定的氧化锆占据主导地位，但其存在一个固有的权衡困境：提供高强度和韧性的四方相氧化锆（t-ZrO₂）与提供优异光学性能的立方相氧化锆（c-ZrO₂）之间存在矛盾。氧化锆修复体通常通过计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术加工，其中对预烧结坯体进行“软加工”是主流方式，但后续传统烧结耗时长达12小时。为提升效率并实现椅旁一次性就诊修复，快速烧结（Speed-Sintering）技术应运而生，可将烧结时间缩短至30-120分钟。

近期，一种新型的4.5 mol%氧化钙（CaO）稳定四方氧化锆多晶体（4.5Ca-TZP）崭露头角，传统烧结后展现出超过1 GPa的弯曲强度及8-10 MPa·m¹/²的高断裂韧性，且抗水热老化性能优异。在此背景下，本研究旨在探索该新型陶瓷材料进行椅旁快速烧结的可行性，验证其能否在显著缩短的烧结周期内，保持与常规烧结相当的性能，从而为临床提供一种既坚固、强韧又美观的快速修复方案。

研究流程与实验方法

1. 材料制备与快速烧结工艺 研究采用纳米级4.5Ca-TZP粉末（含5 wt%有机粘结剂），经传统压制成型和冷等静压（CIP）后，制备出直径20毫米、厚2毫米的圆盘状试件。所有试件在500°C下进行脱脂处理后，使用椅旁快速烧结炉（Programat CS4，义获嘉公司）进行无压快速烧结。为系统评估温度的影响，研究设置了六个烧结温度组：1250°C、1300°C、1325°C、1350°C、1400°C和1450°C。烧结程序采用极快的升降温速率：从室温到900°C为130°C/分钟，从900°C到目标温度的速率为50°C/分钟，降温速率为70°C/分钟，整个烧结过程控制在60分钟以内。

2. 微观结构与物相表征 烧结完成后，首要评估了各组陶瓷的致密化程度。使用阿基米德排水法在乙醇中测量密度，证实所有快速烧结组相对密度均达99%以上。X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修方法（使用Profex软件）精确量化了各物相含量，并计算了四方度。为观察微观结构，样品经镜面抛光和热蚀刻后，使用扫描电子显微镜（SEM）成像，并采用线性截距法通过Image-Pro软件对至少1000个晶粒进行统计，获得平均晶粒尺寸及其分布。

3. 力学性能测试 力学性能测试是验证材料临床适用性的核心。维氏硬度（HV10）使用10kg载荷保压10秒进行评估，并使用光学显微镜观察压痕周围的相变特征。双轴弯曲强度采用活塞-三球（Piston-on-3-Balls, P3B）法测试，严格遵循ISO 6872:2015标准，每组30个试件，并运用韦布尔（Weibull）统计分析其可靠性，得出特征强度（σ₀）和韦布尔模量（m）。断裂韧性采用单边V形缺口梁（SEVNB）法精确测定，样品创新性地使用飞秒激光制造尖锐缺口，并经退火消除残余应力后进行四点弯曲测试。

4. 光学性能与抗老化性能评估 为评估美学潜力，使用分光光度计测量试件在黑白背景下的CIELAB色度值，并计算半透明度参数（TP）。抗水热老化能力则通过将试件置于134°C、0.2 MPa水蒸汽高压灭菌器中处理20小时后，再次用XRD分析单斜相含量变化来评定。

5. 概念验证：CAD/CAM铣削牙冠 为证实其椅旁应用潜力，研究制作了概念验证性牙冠。将预烧结至约58%相对密度的坯体进行CAD/CAM铣削加工，随后在1250°C下进行快速烧结。通过微计算机断层扫描（μ-CT）对比预烧结晶牙冠与实际烧结牙冠的尺寸差异，量化评估烧结收缩的各向同性程度。

主要研究结果

1. 致密化与微观结构 快速烧结成功在1小时内实现完全致密化。随烧结温度升高，平均晶粒尺寸从1250°C时的124纳米增长至1350°C时的179纳米，但均保持在200纳米以下的细晶范畴。SEM图像和晶粒分布图显示，微观结构均匀，存在少量较大的c-ZrO₂晶粒，但超过360纳米的晶粒极少。值得注意的是，当温度升至1400°C以上时，陶瓷在冷却过程中自发转变为单斜相，导致材料失效，这界定了快速烧结工艺的温度上限。

2. 物相组成与四方度 Rietveld精修结果揭示，快速烧结显著抑制了有害的单斜相氧化锆（m-ZrO₂）生成，其含量维持在0-2%之间，远低于常规烧结样品（最高可达14.2%）。四方相（t-ZrO₂）含量随温度升高从81.7%略降至78.1%，立方相（c-ZrO₂）则从18.3%增至19.9%。一个关键发现是，t-ZrO₂的四方度与烧结温度呈近乎完美的正线性相关（皮尔逊相关系数r²=0.98），这为通过温度调控其相变增韧能力提供了理论依据。

3. 力学性能表现 硬度测试结果表明，硬度与烧结温度呈负相关关系，从1300 HV10降至1178 HV10。在压痕形貌上，1250°C烧结的陶瓷出现传统径向裂纹，而在1300°C及以上温度烧结的样品，裂纹消失，取而代之的是规则的相变带，表明相变增韧机制被有效激活。基于此，研究重点关注1250°C和1300°C组。其双轴弯曲强度特征值均超过1.1 GPa，韦布尔模量达11以上。特别地，1250°C快速烧结组展现出极高的平均强度（1,401±95 MPa），但断裂韧性较低（5.11±0.43 MPa·m¹/²）；相比之下，1300°C烧结组的强度虽略低（1,110±56 MPa），但断裂韧性显著提升至6.22±0.49 MPa·m¹/²。这一韧性值虽然低于常规烧结的4.5Ca-TZP（约8.2 MPa·m¹/²），但仍远高于传统3Y-TZP（通常≤5 MPa·m¹/²）。

4. 光学与抗老化性能 半透明度在1250°C烧结时达到最佳（TP=22.4），优于或相当于传统的3Y-TZP陶瓷。出色的抗水热老化性能是快速烧结4.5Ca-TZP的另一大优势：经过20小时加速老化实验，所有组别的单斜相含量均无统计学意义上的增加，实现了近乎零老化的表现。

5. 概念验证牙冠的分析 μ-CT分析显示，预烧结牙冠经过快速烧结后，体积收缩率达41.8%，对应于16.6%的线性收缩。将此各向同性收缩模型与真实烧结牙冠进行三维对比，发现仅有2%的体积区域存在细微的各向异性收缩，最大偏差在±30微米以内，证明其具有极佳的尺寸精度保持能力。

研究结论与应用价值

本研究证实，新型4.5Ca-TZP陶瓷可成功通过椅旁快速烧结工艺，在60分钟内实现完全致密化，并获得性能卓越的修复体材料。其将高强度（>1.3 GPa）、高韧性（>5 MPa·m¹/²）、良好的半透明性和卓越的抗水热老化性能集于一身，有效打破了传统氧化钇稳定氧化锆中“强度-韧性-美学”的三角权衡。与常规烧结相比，快速烧结生成更细密均匀的纳米级微观结构，完全抑制了冷却过程中的自发单斜相转变，从而显著提升了材料的机械可靠性（更高的韦布尔模量）。概念验证性牙冠的成功制作和近乎完美的各向同性收缩，证明了该材料与现有椅旁CAD/CAM工作流程的高度兼容性。

该研究成果的应用价值突出，尤其适用于对力学可靠性要求极高的后牙修复体，并为制造平均厚度低于0.5毫米的超薄修复体提供了材料基础，有望实现微创牙体预备。其科学价值在于深入阐释了极速热循环对CaO稳定氧化锆体系中相稳定、微观结构演变及相变增韧机理的调控规律。研究亦坦诚地指出了其局限性，如狭窄的烧结窗口对工业炉温控制提出了高要求，以及对于制作大跨度修复体可能面临的挑战，为未来研究指明了方向。

研究亮点

本研究亮点在于：一是首次系统验证了新型高韧性4.5Ca-TZP陶瓷在椅旁快速烧结工艺下的成功应用；二是揭示了快速烧结相比传统烧结，通过“淬火”效应抑制了有害单斜相，同时形成更均匀的细晶结构，从而获得更好机械可靠性的独特机制；三是在材料性能上实现了超越传统3Y-TZP的突破，提供了一种兼具高强度、高断裂韧性和零老化的椅旁修复新选择。其验证流程严谨，从基础碟状试件的全面表征，到最终CAD/CAM牙冠的概念验证，形成了完整的“从粉末到产品”的转化研究路径。