通过晶界活化制备高生物活性氧化锆陶瓷用于牙种植体的研究

作者及发表信息

本研究由Wenmin Zhang（华南理工大学材料科学与工程学院）、Jinhuan Ke（武汉中炜创发产业研究院有限公司）、Guowen Qian（江西理工大学能源与机械工程学院）及Jiandong Ye（华南理工大学材料科学与工程学院）合作完成，发表于《Journal of the American Ceramic Society》（J Am Ceram Soc）2022年第105卷，发表日期为2022年3月21日。

研究背景

氧化钇稳定四方氧化锆多晶（yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal, Y-TZP）陶瓷因其优异的机械性能、化学稳定性及与天然牙齿相近的美学特性，被认为是一种理想的牙科种植材料。然而，Y-TZP陶瓷缺乏生物活性，无法促进骨整合（osseointegration），这限制了其在牙种植领域的应用。以往的研究尝试通过在Y-TZP表面涂覆生物活性涂层（如羟基磷灰石，hydroxyapatite, HA）来改善其生物活性，但涂层与基体的结合强度不足，且热膨胀系数不匹配易导致开裂。此外，将Y-TZP与生物活性粉末（如硅酸钙）复合的方法也难以平衡生物活性与机械性能。

因此，本研究提出了一种新的策略：通过晶界活化（grain-boundary activation）技术，在氧化锆粉末表面均匀涂覆不同含量的生物活性玻璃（bioactive glass, BG）溶胶，再经过凝胶化、干燥、造粒、低温处理、成型及高温烧结（1450°C，3小时），制备出具有高生物活性的Y-TZP陶瓷。该方法的优势在于BG存在于晶界中，可长期持续释放生物活性离子，促进骨细胞附着、增殖及成骨分化，同时保持较高的机械强度。

研究流程

1. 材料制备

（1）BG溶胶的合成

采用溶胶-凝胶法（sol-gel method）制备BG溶胶，原料包括：
- 正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate, TEOS）
- 磷酸三乙酯（triethylphosphate, TEP）
- 四水合硝酸钙（calcium nitrate tetrahydrate）

（2）BG涂覆Y-TZP粉末及陶瓷制备

• 选用平均粒径50 nm的Y-TZP粉末，分散于乙醇溶液，加入聚乙二醇2000作为分散剂。
  
• 按BG与Y-TZP的质量比（1%、5%、10%）将BG溶胶缓慢加入Y-TZP悬浮液，搅拌8小时使乙醇完全挥发，室温老化24小时使溶胶转化为凝胶。
  
• 凝胶在60°C干燥，650°C煅烧3小时，得到BG涂覆的Y-TZP粉末。
  
• 粉末经研磨、筛分、造粒后，通过模压成型（40 MPa，30秒）制备圆盘（φ10 × 3 mm）和长方体（5 × 6 × 45 mm）生坯，再经冷等静压（200 MPa，2分钟）增强致密性。
  
• 生坯在45°C干燥4小时，900°C预烧结2小时，最终在1450°C烧结3小时，得到BG-TZP陶瓷样品。
  

2. 材料表征

（1）物相与微观结构分析

• X射线衍射（XRD）：分析样品的晶相组成，确认BG涂覆后是否影响ZrO₂的四方相（tetragonal phase, t-ZrO₂）与单斜相（monoclinic phase, m-ZrO₂）的转变。
  
• 扫描电子显微镜（SEM）：观察样品的微观形貌，分析BG含量对晶粒尺寸、孔隙率及玻璃相分布的影响。
  
• 拉曼光谱（Raman spectroscopy）：检测样品表面沉积的羟基磷灰石（HA）层。
  

（2）力学性能测试

• 三点弯曲强度：测试样件的抗弯强度，分析BG含量对机械性能的影响。
  
• 断裂韧性：采用单边缺口梁法（single-notched beam method）测定，评估材料的抗裂纹扩展能力。
  

3. 体外生物活性评估

（1）体外矿化实验

• 将样品浸泡在1.5×模拟体液（simulated body fluid, SBF）中21天，观察表面HA沉积情况。
  
• 通过SEM和EDS（能量色散光谱）分析沉积层的形貌及元素组成，计算Ca/P比以评估矿化能力。
  

（2）细胞生物学实验

• 细胞培养：小鼠骨髓间充质干细胞（mouse bone marrow stromal stem cells, mBMSCs）接种于样品表面，评估细胞相容性。
  
• 活/死细胞染色（live/dead staining）：通过荧光显微镜观察细胞存活率。
  
• 细胞增殖（CCK-8 assay）：定量分析细胞增殖情况。
  
• 成骨分化：检测碱性磷酸酶（alkaline phosphatase, ALP）活性及成骨相关基因（ALP、BSP、Runx2、Col-I）的表达水平。
  

主要结果

1. 微观结构与物相分析

   • SEM显示，未涂覆BG的Y-TZP陶瓷晶粒尺寸为300-400 nm，呈规则多面体形貌；随着BG含量增加，晶粒逐渐变为圆形，晶界处出现玻璃相，孔隙率升高。
     
   • XRD证实，BG涂覆未改变ZrO₂的晶相结构，但高BG含量（5%、10%）样品在冷却过程中因热应力诱导了少量t→m相变。
     

2. 体外矿化能力

   • 浸泡21天后，BG-TZP样品表面形成均匀的HA层，Ca/P比接近天然骨（1.62-1.89），而未涂覆BG的Y-TZP无HA沉积。
     
   • 拉曼光谱检测到HA的特征峰（580 cm⁻¹、960 cm⁻¹），证实BG涂覆显著提升了Y-TZP的生物活性。
     

3. 力学性能

   • 未涂覆BG的Y-TZP抗弯强度为686 MPa，断裂韧性为9.06 MPa·m¹/²；1% BG涂覆后，强度降至596 MPa，韧性为7.51 MPa·m¹/²；10% BG涂覆后，强度进一步降至433 MPa。
     
   • 尽管BG降低了机械性能，但1% BG-TZP仍满足牙科陶瓷标准（ISO 6872）的要求。
     

4. 细胞响应

   • 活/死染色显示，BG-TZP表面细胞存活率高，且细胞铺展面积和伪足形成优于纯Y-TZP。
     
   • CCK-8实验表明，BG涂覆显著促进mBMSCs增殖（p < 0.05）。
     
   • ALP活性及成骨基因表达分析证实，BG-TZP能上调ALP、BSP、Runx2和Col-I的表达，促进成骨分化。
     

结论与意义

本研究通过晶界活化技术成功制备了高生物活性的Y-TZP陶瓷，其创新点在于：
1. 科学价值：揭示了BG涂覆对Y-TZP陶瓷晶界结构、相变行为及生物活性的影响机制，为设计兼具生物活性与机械性能的牙种植材料提供了新思路。
2. 应用价值：1% BG-TZP在保持较高机械强度的同时，显著提升了骨整合能力，有望成为钛种植体的替代材料，解决钛种植体美学性能不足的问题。

研究亮点

1. 方法创新：首次采用溶胶-凝胶法在纳米级Y-TZP粉末表面均匀涂覆BG，并通过晶界活化实现生物活性离子的长期释放。
   
2. 多学科交叉：结合材料科学（烧结工艺优化）、生物学（细胞实验）及临床需求（牙种植体设计），推动了生物陶瓷领域的进展。
   

其他发现

• BG释放的Ca²⁺、Si⁴⁺和PO₄³⁻离子在体外矿化实验中形成硅富集层，通过电荷吸附蛋白质，进一步促进细胞附着与分化。
  
• 未来研究可优化BG含量与烧结工艺，以平衡生物活性与机械性能的阈值。