类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由浙江大学医学院附属口腔医院的Yuhan Ma、Huihua Wang、Yang Xiang、Mingxing Li、Dongni Shen、Sisi Zhang、Ying Shi*和Baiping Fu*，以及Thales Medical Technology（中国杭州）的Xiaojian Zhou和Jun An合作完成。研究论文《The effects of optimized microstructured surfaces on bond strength and durability of NPJ-printed zirconia》发表于期刊《Dental Materials》2024年第40卷（1991-1999页）。

学术背景
氧化锆（zirconia）因其优异的机械性能、生物相容性和化学稳定性，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）技术制备的氧化锆修复体表面光滑且化学惰性，导致其粘接性能较差，尤其是在无辅助固位形式的粘接修复体中，脱粘仍是主要失败原因。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）被用于改善氧化锆粘接性能，但这些方法存在操作复杂、潜在危害或临床适用性受限等问题。

近年来，增材制造（additive manufacturing, AM）技术，尤其是纳米颗粒喷射（nanoparticle jetting, NPJ）3D打印技术，因其高精度和可定制微观结构的能力，为氧化锆表面形态优化提供了新思路。本研究旨在探究通过NPJ技术设计的优化微结构表面对氧化锆粘接强度和耐久性的影响，并结合喷砂处理和含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，验证其协同效应。

研究流程
1. 表面微观形态优化
- 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，以最大主应力（maximum principal stress, MPS）为观察参数，选择应力分布最均匀的微结构。
- 优化后的微结构特征为：圆形几何、60%孔隙率、深度约20 µm、悬突宽度约10 µm，梁宽度一致（100 µm）。

1. 氧化锆试件制备

   • 使用NPJ 3D打印机（Carmel 1400, XJet）制备3 mol%氧化钇稳定的四方氧化锆多晶（3Y-TZP）圆盘（φ10×2 mm）和圆柱（φ3×3 mm），共128个样本。
     
   • 样本分为4组：
     
     • 组A：未处理的打印表面；
       
     • 组B：喷砂处理（50 µm Al₂O₃，0.1 MPa压力，10 mm距离，15秒）；
       
     • 组C：优化微结构表面；
       
     • 组D：优化微结构表面+喷砂处理。
       

2. 剪切粘接强度（shear bond strength, SBS）测试

   • 使用含MDP的树脂水门汀（Clearfil SA Luting Cement）粘接圆盘与圆柱，每组一半样本在37℃蒸馏水中储存24小时，另一半进行10,000次冷热循环（5-55℃）。
     
   • 通过万能试验机（Instron 5960）以0.5 mm/min速度测试SBS，计算兆帕（MPa）值。
     

3. 失效模式分析

   • 使用光学显微镜（Olympus BX53）观察断裂模式，分为三类：
     
     • 类型1（粘接失效）：氧化锆表面无树脂残留；
       
     • 类型2（混合失效）：部分树脂残留；
       
     • 类型3（内聚失效）：氧化锆表面几乎完全覆盖树脂。
       

4. 表面表征

   • 扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌；
     
   • 三维干涉显微镜（Wyko NT9100）测量表面粗糙度（Sa）；
     
   • X射线衍射（XRD）分析晶相组成。
     

主要结果
1. 表面优化
- FEA显示圆形微结构（60%孔隙率）的MPS最低，表明其应力分布最均匀，可减少树脂水门汀断裂风险。

1. 粘接强度

   • 老化前：组D（优化微结构+喷砂）的SBS最高（47.27±6.64 MPa），显著高于其他组（p<0.05）；组A（未处理）最低（29.05±6.62 MPa）。
     
   • 老化后：组D仍保持最高SBS（44.86±6.43 MPa），且降低率最低（5.10%）；组C（优化微结构）降低率最高（28.55%），表明喷砂处理对耐久性至关重要。
     

2. 失效模式

   • 老化前以混合失效为主，老化后粘接失效比例增加，组A和组C的粘接失效比例显著高于组B和组D。
     

3. 表面表征

   • SEM显示优化微结构表面与设计模型一致，喷砂后微结构几何未受损；
     
   • XRD显示所有组均以四方相（t-ZrO₂）为主，喷砂未引发显著单斜相（m-ZrO₂）转变。
     

结论与价值
本研究首次证实，通过NPJ技术设计的优化微结构表面（圆形几何、60%孔隙率）结合喷砂处理和含MDP树脂水门汀，可显著提高氧化锆的粘接强度和耐久性。其科学价值在于揭示了微结构几何与孔隙率对粘接界面应力分布的影响机制；应用价值在于为无辅助固位形式的粘接修复体提供了新策略。

研究亮点
1. 创新性采用NPJ技术定制氧化锆微结构表面，结合FEA优化设计；
2. 发现喷砂处理对微结构表面耐久性的关键作用；
3. 为口腔修复中氧化锆粘接性能的改善提供了可推广的解决方案。

其他有价值内容
研究还发现，NPJ打印过程中滚轮留下的周期性微沟槽（20-50 µm宽）可能通过增加表面粗糙度间接提升粘接性能，这一现象为未来表面设计提供了新思路。