激光表面织构化氧化锆陶瓷在牙科应用中的研究进展

作者及机构
本文由Jide Han（比利时KU Leuven机械工程系）、Fei Zhang（KU Leuven材料工程系）、Bart Van Meerbeek（KU Leuven口腔健康科学系）、Jozef Vleugels、Annabel Braem和Sylvie Castagne（通讯作者）共同完成，发表于2021年3月的期刊 *Materials Science & Engineering C*（卷123，文章编号112034）。

研究背景与主题

氧化锆基陶瓷因其优异的生物相容性、类牙齿颜色及机械性能，被视为钛种植体的理想替代材料。然而，氧化锆的脆性和亚稳态四方相（tetragonal phase, t-ZrO₂）特性使其表面改性（如激光织构化）面临独特挑战。本文综述了激光表面织构化在牙科氧化锆种植体、基台及修复体中的应用现状，涵盖激光-陶瓷相互作用机制、表面形貌调控、机械性能影响及功能化评估。

主要观点与论据

1. 氧化锆陶瓷在牙科中的应用潜力

氧化锆基陶瓷分为三类：
- 3Y-TZP（3 mol%氧化钇稳定的四方氧化锆多晶）：机械性能最优（抗弯强度900–1200 MPa，断裂韧性3–10 MPa·m¹/²），但易发生低温降解（low temperature degradation, LTD）。
- 部分稳定氧化锆（PSZ）：如Mg-PSZ和Y-PSZ， hydrothermal aging）稳定性更佳，但机械性能较差。
- 氧化锆复合陶瓷：如氧化锆增韧氧化铝（ZTA）和氧化铝增韧氧化锆（ATZ），通过相变增韧机制平衡性能。

支持证据：临床研究显示，氧化锆种植体在美学和生物相容性上优于钛，但表面改性（如激光织构化）对促进骨整合（osseointegration）至关重要。

2. 激光-陶瓷相互作用机制

• 长脉冲激光（纳秒/微秒级）：通过线性吸收（自由电子和带间电子）引发熔化和蒸发，但易导致热裂纹。
  
• 超短脉冲激光（飞秒级）：非线性吸收（多光子电离和雪崩电离）主导，热影响区小，可实现非热相变（如库仑爆炸）。
  

支持数据：飞秒激光在氧化锆表面制备的周期性纳米结构（LIPSS, laser-induced periodic surface structures）可减少细菌粘附，而长脉冲激光需优化参数以避免热损伤。

3. 表面形貌与功能化设计

激光织构化可生成多级结构：
- 微米级纹理：通过聚焦激光束（FLB）或直接激光干涉图案化（DLIP）实现，调控细胞定向排列（图3-4）。
- 纳米级粗糙度：如LIPSS，空间周期与激光波长相关（图5）。

实验验证：大鼠模型显示，垂直微沟槽种植体的骨-种植体接触率（BIC）比水平沟槽高30%（64.9% vs. 49.0%），表明形貌设计显著影响骨整合（图15）。

4. 机械性能与长期稳定性挑战

• 热裂纹：长脉冲激光易引发微裂纹，降低抗弯强度（图9）。飞秒激光结合后处理（如退火）可缓解此问题。
  
• 相变（t→m）：激光诱导的四方相向单斜相（monoclinic phase, m-ZrO₂）转变可能加速LTD，但1200°C退火可恢复稳定性（图11）。
  

案例：纳米秒激光处理的3Y-TZP经退火后，LTD起始时间延迟，老化速率降低（图10-11）。

5. 润湿性与生物响应调控

• 亲水性增强：Wenzel模型表明，表面粗糙化可放大氧化锆固有的亲水性（接触角从46.9°降至36.4°）。
  
• 疏水性设计：通过氮气辅助CO₂激光处理生成ZrN涂层或Cassie-Baxter态微腔，接触角可达121.4°（图12-13）。
  

应用意义：亲水性表面促进骨细胞附着，而疏水性基台表面可能减少细菌粘附。

6. 功能化应用进展

• 种植体骨整合：激光微沟槽促进胶原纤维和血管长入，提高BIC（图15）。
  
• 基台抗菌：激光结合银/金颗粒烧结可形成抗菌层（图16-17a）。
  
• 修复体粘接：飞秒激光织构化比喷砂（ABA）和硅涂层（TSC）提供更高粘接强度（52 MPa vs. 40–43 MPa）。
  

研究价值与亮点

1. 科学价值：系统阐明了激光参数与氧化锆表面特性的关联，为多尺度形貌设计提供理论依据。
   
2. 技术创新：提出飞秒激光结合退火的后处理策略，平衡机械性能与LTD稳定性。
   
3. 临床意义：激光织构化可同时优化种植体骨整合、基台抗菌性和修复体粘接耐久性。
   

未来方向

• 复杂形状种植体的激光加工适应性；
  
• 长期临床验证（目前动物实验有限）；
  
• 表面化学改性（如UV光活化）与形貌的协同效应。
  

本文为氧化锆牙科器件的激光表面工程提供了全面指导，填补了从基础机制到功能化应用的综述空白。