本文属于类型a，是一篇关于牙科修复用功能梯度陶瓷材料设计与增材制造的研究论文。该研究由济南大学机械工程学院的沈伟、王高琦、王守仁等，联合山东大学口腔医学院的张玉军以及济南大学材料科学与工程学院的康俊峰等学者共同完成，发表于《Ceramics International》第51卷（2025年），页码4441至4452，于2024年11月26日在线发布。

研究的学术背景主要围绕全瓷牙科修复体在生物相容性和美学需求日益增长背景下的应用瓶颈。传统的玻璃陶瓷（glass-ceramic, GC）义齿虽具有优异的美学性能和生物相容性，但其承载能力有限，难以满足后牙冠桥等修复体的长期可靠性要求；而氧化锆（zirconia）义齿虽然力学性能突出，但颜色白、透光性差，且硬度过高，容易对对颌天然牙造成过度磨损。此外，现有的玻璃陶瓷-氧化锆双层修复体由于两材料力学性能差异大，界面处易产生应力集中，导致界面断裂，影响长期使用寿命。针对上述问题，研究者提出了一种氟磷灰石（fluorapatite, FAP）玻璃陶瓷与5 mol%氧化钇稳定氧化锆（5Y-PSZ）颗粒复合的功能梯度陶瓷义齿设计与制备方法，旨在兼顾高强度、优良断裂韧性、良好美学效果，并降低对天然对颌牙的磨损。

研究方法主要分为三大步骤。第一步是研究PSZ含量（0、5、10、15 wt%）对FAP玻璃陶瓷/PSZ复合材料微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。研究团队采用水淬法制备了FAP玻璃陶瓷粉体，并与不同质量分数的5Y-PSZ颗粒混合，通过低速球磨、乙醇搅拌和超声分散使颗粒均匀分布，随后通过立体光刻（stereolithography, SL）3D打印技术制备尺寸为50 mm×6 mm×5 mm的试样，并在900 ℃下烧结2至4小时，最终确定最佳保温时间为3小时。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、显微硬度计、三点弯曲试验、单边V缺口梁（SEVNB）法以及摩擦磨损试验机等对材料进行表征和性能测试。结果表明，添加PSZ后复合材料的硬度、弹性模量、抗弯强度和断裂韧性均随PSZ含量的增加而提高，其中Z10组（含10 wt% PSZ）的抗弯强度达到221.2 MPa，比纯玻璃陶瓷提高了41.3%；Z15组断裂韧性达到2.01 MPa·m^1/2，比纯玻璃陶瓷提高48.9%。但PSZ含量进一步增加会导致孔隙率上升，使Z15强度下降。摩擦学测试表明，随着PSZ含量增加，复合材料的耐磨性提高，但对对磨钛球（TA2）的磨损率也相应升高，其中Z0（纯玻璃陶瓷）对钛球磨损最小。

第二步是基于复合材料的性能和对义齿的实际要求，设计梯度陶瓷结构。研究选取Z0、Z5和Z10三组材料分别作为梯度陶瓷的上、中、下层。通过有限元分析（FEA）模拟三点弯曲加载条件，评估不同层厚对承载能力的影响。结果显示层厚变化对最大拉应力影响较小，最终选择Z0层厚度1.25 mm、Z5层1.75 mm、Z10层2.25 mm。与纯GC、Z10复合材料以及GC-氧化锆双层结构相比，梯度陶瓷在450 N载荷下的最大拉应力与纯GC和Z10相近，但von Mises应力分布更均匀，无界面应力集中现象，表明梯度结构能有效避免双层结构的界面失效问题。

第三步是采用光固化3D打印技术制备梯度陶瓷试样并验证其性能。打印过程中，不同层材料依次打印，每打印完一层后清洁料槽并更换下一层浆料。烧结后SEM观察显示各层界面结合良好，无分层现象。梯度陶瓷的抗弯强度为190.7±24.7 MPa，比纯玻璃陶瓷提高21.8%，断裂韧性为1.86±0.09 MPa·m^1/2，高于Z0、Z5和Z10。这一结果满足ISO 6872标准对后牙冠的力学性能要求，并接近三单位桥的标准。摩擦学测试显示梯度陶瓷的表面层（Z0）对天然牙的磨损最小，同时内部复合层提供较高的力学强度。此外，梯度陶瓷从顶部到底部透光率逐渐变化，更接近天然牙的外观特征。

该研究的结论指出，FAP玻璃陶瓷/PSZ功能梯度陶瓷能够有效结合氧化锆的高强度和玻璃陶瓷的美学优势与低磨损特性，通过调控PSZ含量和层厚实现材料性能的梯度变化，为高性能全瓷义齿的设计与制造提供了新思路。其科学价值在于系统探究了PSZ含量对玻璃陶瓷复合材料微观结构、力学及摩擦学性能的影响规律，并通过有限元分析和3D打印实验验证了梯度结构在应力分布和界面结合方面的优势。应用价值方面，该材料有望用于后牙冠等临床修复，且在成本上（每颗牙冠约80美元）与传统全瓷冠（约50至70美元）接近，具备一定的市场竞争力。

论文的亮点包括：提出了一种采用3D打印技术制造玻璃陶瓷/氧化锆功能梯度义齿的新方法；通过梯度结构设计有效避免了双层陶瓷界面应力集中问题；实现了表面低磨损、内部高强度的性能组合；并首次将FAP玻璃陶瓷释放氟离子防龋的功能与梯度力学性能集成于一体。此外，研究还对比了该梯度陶瓷与其他牙科陶瓷材料的力学性能，表明其在抗弯强度和断裂韧性方面优于传统白榴石基和云母基玻璃陶瓷，但低于氧化锆和二硅酸锂陶瓷，然而其在降低对颌牙磨损方面具有独特优势。