本文所报道的研究由太原理工大学材料科学与工程学院、山西省生物医学金属材料重点实验室的王月月（Yueyue Wang）等人完成，通讯作者为王月月。该研究于2025年1月20日在线发表于 Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 第164卷，文章编号为106902，DOI为10.1016/j.jmbbm.2025.106902。
牙科龋病是全球范围内发病率极高的口腔疾病。自20世纪60年代发明以来，光固化牙科树脂凭借其优异的美观性、生物相容性和可操作性，已逐步取代银汞合金成为临床最常用的龋病治疗材料。然而，与银汞合金相比，牙科树脂修复体的使用寿命有限，通常约为10年。树脂修复体失败的主要原因之一是在湿润口腔环境中机械强度不足以及机械稳定性差所导致的应力断裂。
近年来，介孔二氧化硅颗粒（mesoporous silica spheres, MSS）作为功能性无机填料在牙科复合材料领域引起了广泛关注。其独特的相互连通的孔道结构能够在填料-树脂界面形成微机械互锁（micromechanical interlocking），从而显著提升复合树脂的力学性能。然而，介孔二氧化硅在湿润环境中降解速度较快，导致牙科复合材料的长期机械稳定性不佳。在作者的前期研究中，曾尝试将铝（Al）掺入介孔二氧化硅球以降低颗粒降解速率并改善复合树脂的机械稳定性，但铝对人体可能存在一定的毒性风险。因此，本研究选择锆（Zr）作为掺杂元素，合成了锆掺杂介孔二氧化硅球（Zr-doped mesoporous silica spheres, Zr-MSS），旨在探究锆掺杂对介孔二氧化硅填料的化学稳定性以及复合树脂老化抗性和生物相容性的影响。
首先采用溶胶-凝胶法制备介孔二氧化硅球。具体过程为：将2.47 g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和0.6 g尿素溶于30 mL去离子水中，随后逐滴加入3.5 mL正硅酸四乙酯（TEOS）、1.5 mL正戊醇和30 mL环己烷的混合溶液。在37 °C搅拌30分钟后，将混合液转入不锈钢高压釜中，在100 °C下反应8小时。所得粉体经离心、洗涤、干燥后在550 °C下煅烧6小时获得MSS。Zr-MSS通过简单的溶液浸渍法制备：将0.1 g四氯化锆（ZrCl₄）溶于10 mL异丙醇中，加入0.1 g MSS超声分散后在室温下搅拌6小时，离心洗涤后在80 °C下干燥12小时。
通过扫描电子显微镜（SEM）观察粉体形貌；利用能谱仪（EDS）和X射线光电子能谱（XPS）分析化学成分、分布和价态；采用X射线衍射（XRD）表征物相；通过N₂吸附-脱附等温线（BET）测定比表面积和孔径分布；利用纳米粒度/Zeta电位分析仪测定颗粒粒径。
将粉体以1 mg/mL的固液比浸入磷酸盐缓冲液（PBS，pH = 7.4）中，于37 °C下浸泡8天，每天更换溶液。收集上清液，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定Si⁴⁺和Zr⁴⁺的浓度。
所有无机颗粒在与单体混合前均采用γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（γ-MPS）进行硅烷化处理。通过热重分析仪（TGA）测定MSS和Zr-MSS中硅烷偶联剂的含量。
树脂基质由双酚A甘油酸酯二甲基丙烯酸酯（Bis-GMA）和三乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA）按49.5⁄49.5的质量比组成，光引发剂体系为樟脑醌（CQ）和4-二甲氨基苯甲酸乙酯（4-EDMAB），质量比为0.2⁄0.8。制备了不同Zr-MSS含量（15、20、25和30 wt%）的单峰填料复合树脂，以及Zr-MSS与非多孔二氧化硅球（nonporous silica spheres, NSS）按10:50质量比混合、总填料含量为60 wt%的双峰填料复合树脂。同时制备纯树脂基质和含MSS的样品作为对照组。所有样品经三辊挤出机混合后在蓝光（波长430–490 nm，功率密度1800–2200 W/m²）下双面照射共120秒进行固化。
将复合树脂样品浸入37 °C的去离子水中30天进行人工老化。在老化前后分别测试样品的弯曲强度（flexural strength）、弯曲模量（flexural modulus）、压缩强度（compressive strength）和维氏显微硬度（Vickers microhardness）。弯曲性能采用25 mm × 2 mm × 2 mm的矩形试样（n = 6），压缩强度采用φ 4 mm × 6 mm的圆柱形试样（n = 6），显微硬度采用7 mm × 7 mm × 2 mm的方形试样（n = 3），每个样品随机选取6个压痕点进行测试。弯曲试验后的断口形貌通过SEM观察。
采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）测定不同填料复合树脂的双键转化率（degree of conversion, DC），以脂肪族C=C键（1638 cm⁻¹）和芳香族C=C键（1608 cm⁻¹）的吸收峰强度比计算DC值。固化深度（curing depth）按照ISO 4049:2019标准测定。
以小鼠成骨细胞MC3T3-E1亚克隆14（OBs）为细胞模型，通过活/死染色（live/dead staining）和MTT法评价复合树脂的细胞毒性。样品经75%酒精灭菌30分钟后，将OBs以2 × 10⁴细胞/cm²的密度接种于样品表面，分别培养1、3和5天后进行检测。
SEM结果显示MSS具有规则的球形形貌和褶皱多孔结构，平均粒径约320 nm。Zr掺杂后颗粒微观结构无显著变化。EDS分析表明Zr在介孔二氧化硅中的掺杂量为1.29 at%，且均匀分布于颗粒中。XPS光谱确认颗粒由Si、Zr和O组成，Zr以Zr⁴⁺氧化态存在，表面Zr原子百分比为1.50%，略高于体相。XRD图谱中仅在20°–30°处观察到非晶态二氧化硅的特征宽峰，掺杂前后无显著差异，表明Zr可能通过与不饱和硅氧键直接结合或与阳离子交换的方式嵌入二氧化硅网络，而非经由溶解-再结晶过程。BET结果显示MSS和Zr-MSS的比表面积相近，分别为296.82 m²/g和283.18 m²/g，两者均呈现IV型等温线和H1型滞后环，表明存在裂隙型介孔结构。
离子释放实验表明，在PBS中浸泡8天后，MSS的Si⁴⁺累计释放量为184.6 mg/L，而Zr-MSS为141.7 mg/L，Zr掺杂显著降低了硅的溶出速率。浸泡后的SEM观察显示MSS已降解为碎片，而Zr-MSS仍保持完整的球形结构，证明锆掺杂增强了介孔二氧化硅的化学稳定性。这可能是因为Zr-O-Si键比纯Si-O-Si键在含水环境中更为稳定。
TGA结果显示，硅烷化后MSS中γ-MPS的含量为3.42 wt%，而Zr-MSS中为7.45 wt%，表明Zr掺杂显著提高了硅烷偶联剂与介孔二氧化硅颗粒的反应程度。这可能是由于Zr掺杂提高了介孔二氧化硅的表面活性。
老化前，随着Zr-MSS含量的增加，复合树脂的弯曲强度、弯曲模量、压缩强度和显微硬度均逐渐提高。含30 wt% Zr-MSS的复合树脂弯曲强度比纯树脂基质高出62.3%，表明Zr-MSS对牙科树脂具有显著的增强效果。在相同填料含量下，Zr-MSS样品与MSS样品的力学性能相近，说明Zr掺杂未影响介孔颗粒的力学增强效果。
老化30天后，所有样品的力学性能均有所下降，但降低幅度因填料类型不同而差异显著。含30 wt% Zr-MSS的牙科树脂弯曲强度仅下降6.6%，而纯树脂基质和含30 wt% MSS的样品分别下降40.4%和31.6%。双峰填料体系中，Zr-MSS + NSS样品老化后弯曲强度下降7.4%，MSS + NSS下降34.6%，纯NSS下降9.8%，而商用复合树脂3M Z350XT下降15.2%。这些结果表明，无论单独使用还是与NSS混合使用，Zr-MSS均能显著提升复合树脂在湿润环境中的机械稳定性，且Zr-MSS + NSS组合的抗老化性能甚至优于仅含NSS的体系。
不同填料复合树脂的双键转化率在56%–62%之间，固化深度在2.93–2.99 mm之间，相同填料含量下各组间无显著差异。尽管ZrO₂的折射率（约2.2）高于牙科树脂（约1.6），但由于Zr掺杂量较低（1.29 at%），Zr-MSS的折射率与MSS相比无明显变化，因此未对光固化性能产生负面影响。
活/死染色结果显示，各样品表面的细胞在1–5天内持续生长，5天后未见明显死细胞，细胞形态和铺展正常。MTT定量分析显示，第1天时Zr-MSS样品上的细胞吸光度值低于MSS样品，但随后Zr-MSS组细胞增殖迅速，到第5天时Zr-MSS填充复合材料的细胞吸光度值显著高于同含量MSS组。这表明Zr的存在可促进成骨细胞在复合材料表面的增殖活性，改善了修复体的生物相容性，与锆材料良好的生物相容性报道一致。
本研究成功制备了锆掺杂介孔二氧化硅球，并将其用作牙科复合树脂的功能性填料。锆掺杂在不改变介孔二氧化硅球形貌和孔结构的前提下，显著提高了颗粒的化学稳定性，降低了其在湿润环境中的降解速率。含Zr-MSS的复合树脂在老化后展现出优异的机械稳定性，且光固化性能未受影响，生物相容性得到改善。因此，Zr-MSS有望成为牙科复合树脂的有前景的功能性填料。
本研究的科学价值在于揭示了微量锆掺杂对介孔二氧化硅网络结构稳定性的增强机制，即Zr-O-Si键的形成可有效抑制硅基材料在水环境中的水解降解，为设计高耐久性无机填料提供了新思路。在应用价值方面，该研究为延长牙科树脂修复体的临床使用寿命提供了切实可行的填料改性策略，对于改善牙科修复材料的长期疗效具有重要的临床意义。
本研究的亮点主要体现在以下方面：第一，创新性地选择锆作为介孔二氧化硅的掺杂元素，在避免铝潜在毒性的同时实现了化学稳定性的显著提升；第二，系统证明了Zr-MSS与NSS双峰填料组合在总填料含量60 wt%的条件下具有优于商用产品3M Z350XT的抗老化性能，具有较强的临床转化潜质；第三，首次报道了Zr掺杂同时改善复合树脂的机械稳定性和生物相容性的双重功能效应。值得注意的是，研究也指出Zr-MSS对复合树脂机械稳定性改善的具体机制、以及其对固化动力学和射线不透性等理化性能的影响仍有待进一步阐明。