氧化锆基牙科陶瓷：结构、力学性能、生物相容性及应用综述

本文由Chandkiram Gautam（美国Rice大学材料科学与纳米工程系及印度Lucknow大学物理系）、Jarin Joyner（Rice大学）、Amarendra Gautam（Lucknow大学）、Jitendra Rao（印度King George医科大学修复学系）和Robert Vajtai（Rice大学）合作完成，发表于2016年的*Dalton Transactions*期刊（DOI: 10.1039/c6dt03484e）。文章系统综述了氧化锆（ZrO₂）基陶瓷在牙科领域的应用进展，涵盖其晶体结构、力学性能、生物相容性及临床实践。

一、氧化锆的物理与化学特性
氧化锆是一种高温稳定的生物陶瓷，具有三种晶体结构：单斜相（m-ZrO₂，室温稳定）、四方相（t-ZrO₂，1170°C以上稳定）和立方相（c-ZrO₂，2370°C以上稳定）。通过掺杂氧化钇（Y₂O₃）、氧化镁（MgO）或氧化钙（CaO）等稳定剂，可保留高温相（如四方相）至室温，从而提升其力学性能。氧化锆的突出特性包括：
- 高强度：抗压强度达2000 MPa，抗弯强度900–1200 MPa，媲美不锈钢。
- 断裂韧性：裂纹扩展时发生的t→m相变可吸收能量，抑制裂纹延伸（相变增韧机制）。
- 生物惰性：体内外实验表明，ZrO₂植入骨或肌肉后无不良反应，细胞相容性优异。

二、牙科用氧化锆的分类与性能优化
1. 镁部分稳定氧化锆（Mg-PSZ）
- 缺点：高孔隙率和大晶粒导致磨损率高，烧结温度需1680–1800°C，临床应用受限。
2. 氧化锆增韧氧化铝（ZTA）
- 通过纳米复合技术（如胶体合成法）将10%体积的ZrO₂分散于Al₂O₃基体中，兼具高硬度和抗裂纹扩展能力。
3. 钇稳定四方氧化锆多晶体（3Y-TZP）
- 添加3 mol% Y₂O₃可完全稳定四方相，晶粒尺寸<0.5 μm时力学性能最佳。其密度高（>6 g/cm³）、热膨胀系数（11×10⁻⁶ K⁻¹）与牙体组织匹配，成为牙科修复主流材料。

三、生物相容性验证
1. 软组织相容性
- 动物实验（大鼠、兔）显示，ZrO₂植入后仅形成薄纤维包裹层，无炎症或毒性反应。
- 体外细胞实验（如L929成纤维细胞）证实，ZrO₂表面细胞黏附与增殖良好（图7）。
2. 硬组织整合
- 临床研究报道，ZrO₂种植体的骨结合率与钛种植体相当（如人类病例中达68.4%），且菌斑附着更少（图8）。

四、牙科应用场景
1. 种植体与修复体
- 单冠与固定桥（FPDs）：CAD/CAM技术可精准切削预烧结ZrO₂块，制成高强度框架（图3, 图9）。但饰面瓷剥落（chipping）仍是主要问题（发生率6–15%），可能与热残余应力有关。
- 美学正畸托槽：ZrO₂托槽硬度高（1200–1350 HV）、菌斑附着少，但透光性较差。
2. 表面处理技术
- 喷砂（30 μm Al₂O₃颗粒）或硅烷偶联剂处理可提升树脂粘结强度；选择性渗透蚀刻（Selective Infiltration Etching）能改善界面结合。

五、CAD/CAM技术的角色
数字化设计（如Cercon系统）通过以下流程优化修复体制作：
1. 扫描石膏模型→三维设计→切削预烧结ZrO₂块→最终烧结（1500°C，14小时）。
2. 网络化生产中心（如Procera®系统）可实现ZrO₂框架的集中化制造，保证边际适合性（图13）。

六、未来挑战与展望
1. 老化（aging）问题：潮湿环境中t→m相变可能导致力学性能退化，添加Al₂O₃或碳纳米管（CNT）可抑制此现象。
2. 饰面瓷优化：开发低热膨胀系数（CTE）匹配的饰面材料，或采用整体切削技术避免分层。
3. 长期临床数据：现有研究随访期多≤5年，需更多证据验证ZrO₂修复体的10年以上耐久性。

总结与价值
本文系统梳理了ZrO₂基陶瓷的“结构-性能-应用”关系，其核心贡献在于：
1. 科学价值：阐明了相变增韧机制与生物相容性的分子基础。
2. 临床意义：为无金属修复体提供了高强度的解决方案，尤其适合美学敏感区（如前牙种植）。
3. 技术革新：CAD/CAM与纳米复合技术的结合，推动了牙科修复的精准化和个性化发展。

亮点：首次全面比较了Mg-PSZ、ZTA和3Y-TZP的牙科适用性，并提出了饰面瓷剥落的应力调控策略（如梯度CTE设计）。未来，ZrO₂在种植体表面的纳米化修饰或将成为研究热点。