基于层状浆料沉积（LSD-Print）技术的玻璃陶瓷牙科修复体增材制造研究学术报告

作者与发表信息

本研究由Moritz Hoffmann（德国慕尼黑大学医院牙科学院修复牙科系）、Nils Hendrik Schubert、Jens Günster、Bogna Stawarczyk（慕尼黑大学）及Andrea Zocca（德国联邦材料研究与测试研究所BAM多材料先进加工部）合作完成，发表于Journal of the European Ceramic Society（2025年，卷45，文章编号117235）。研究受德国联邦经济与气候保护部（BMWK）资助（项目号KK5056001AG0）。

学术背景

研究领域与动机

本研究属于牙科陶瓷增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，聚焦长石玻璃陶瓷（feldspar glass-ceramic）的3D打印技术开发。传统减材制造（Subtractive Manufacturing, SM）通过CAD/CAM切削预成型瓷块制备修复体，但存在材料浪费、几何限制（如薄壁结构易损）等问题。增材制造可克服这些缺陷，但现有陶瓷AM技术（如光固化、材料挤出）因材料选择有限、后处理时间长（如脱脂需20小时以上）而难以满足牙科临床需求。

研究目标

开发一种基于层状浆料沉积（Layerwise Slurry Deposition, LSD-Print）的玻璃陶瓷增材制造技术，实现以下目标：
1. 验证LSD-Print技术制备高密度（>99%相对密度）玻璃陶瓷修复体的可行性；
2. 对比打印材料与商业参考材料（Vitablocs Mark II）的力学性能差异；
3. 评估打印方向对收缩率、断裂强度等关键参数的影响；
4. 探索快速脱脂-烧结工艺（总时长<30小时）的临床适用性。

研究流程与方法

1. LSD-Print工艺开发

浆料配方：以长石粉（65.3 wt%）为基础，添加分散剂（Dolapix CE64）、粘结剂（聚苯乙烯磺酸钠PSS）和增塑剂（聚乙二醇PEG 200），制成水基陶瓷浆料（表1）。浆料经12小时球磨混合并脱气后用于打印。

打印设备与参数：采用定制化LSD-Print设备，压电喷头（Dimatix Polaris PQ-⁵¹²⁄₈₅ AAA）以200 dpi分辨率喷射墨水，层厚100 μm。打印方向分为X（浆料沉积方向）、Y（垂直X的层内方向）和Z（层堆叠方向）。

后处理流程：
- 固化：120℃热处理16小时，使墨水交联；
- 清洗：水浸1小时去除未固化粉末；
- 脱脂与烧结：两阶段热处理（表2），包括快速脱脂（550℃保持45分钟）和烧结（1190℃保持15分钟）。

2. 材料表征

化学组成：X射线荧光光谱（XRF）分析打印材料与商业参考材料的氧化物成分，确认二者符合制造商标准（SiO₂ 55–70 wt%, Al₂O₃ 20–24 wt%）。

密度与微观结构：
- 阿基米德法测定体密度，氦气比重计测绝对密度，计算相对密度（99.2%）；
- SEM与光学显微镜观察抛光断面，量化结晶相比例（图像分析：30.4% vs 商业参考45.0%）。

相分析：X射线衍射（XRD）鉴定主要晶相为霞石（nepheline）、钠长石（albite）和透长石（sanidine）。

3. 力学性能测试

双轴强度：采用活塞-三球法（ISO 6872:2019）测试打印圆盘（n=15/组），结果显示：
- 平均强度：XY方向89.2 MPa，XZ方向81.7 MPa，商业参考93.8 MPa；
- 打印方向影响强度（XZ vs XY: p=0.016），但均满足ISO 6872的1A类修复体要求。

断裂韧性：单边缺口梁法（SEVNB）测试条形试样（n=14），LSD打印材料（0.77–0.87 MPa√m）显著低于商业参考（1.25 MPa√m），归因于结晶相比例较低。

马氏硬度与压痕模量：维氏压头测试（9.81 N载荷），打印材料（HM 3392–3432 MPa, EIT 56.5–57.1 GPa）略低于商业参考（HM 3640 MPa, EIT 59.5 GPa）。

4. 牙科修复体打印与精度评估

模型设计：基于模拟病例设计4个贴面（veneer）和1个冠（crown），批量打印（单次40件）。

几何精度：μCT扫描显示：
- 打印状态：95%表面偏差<100 μm，切缘粘接区偏差最大（300 μm）；
- 烧结后：因各向异性收缩（Z方向收缩18.6%，高于XY方向的12.7–14.9%），出现宏观变形。

主要结果与逻辑关联

1. 浆料配方与打印工艺：PSS粘结剂实现高固含量浆料（65.3 wt%）和快速水洗脱粉，但高温固化（>120℃）易导致层间开裂。
   
2. 烧结行为：快速脱脂-烧结（45分钟）可实现>99%致密度，但结晶相比例（33%）低于商业参考（44%），导致力学性能差异。
   
3. 各向异性：Z方向收缩率最高（18.6%），与浆料沉积过程中细颗粒富集于层间相关（图10模型）。
   
4. 临床适配性：尽管烧结后几何偏差较大，但打印状态精度接近临床要求（偏差<100 μm），未来可通过提高喷头分辨率（如1000 dpi）改善。
   

结论与价值

科学意义

• 首次将LSD-Print技术应用于牙科长石玻璃陶瓷，证实其可实现高密度（99.2%）和快速脱脂（小时）；
  
• 揭示了浆料组成-打印参数-烧结行为-力学性能的关联机制，为陶瓷AM工艺优化提供理论依据。
  

应用价值

• 生产效率：单次打印40件修复体，年产能可达1.5万件，显著高于传统CAD/CAM切削；
  
• 临床潜力：满足ISO 6872的1A类修复体标准，适用于贴面、嵌体等美学修复。
  

研究亮点

1. 创新工艺：LSD-Print结合浆料均匀性与粘结剂喷射的高通量优势，克服粉末基BJ技术（Binder Jetting）的流动性缺陷；
   
2. 快速后处理：45分钟脱脂-烧结周期远短于光固化技术的20小时脱脂；
   
3. 多尺度表征：通过XRD、SEM、μCT等跨尺度分析，阐明微观结构-性能关系。
   

局限与展望

1. 烧结变形：需优化支撑结构或添加晶核剂以抑制粘性流动；
   
2. 粘结剂改进：PSS残留可能影响孔隙率，未来可探索低残留替代品；
   
3. 临床验证：需开展长期疲劳测试和体内研究以验证可靠性。
   

本研究为牙科陶瓷增材制造提供了新范式，其高通量、低成本的特性有望推动个性化修复体的规模化生产。