学术研究报告：新型氧化铈稳定氧化锆陶瓷在牙科种植材料中的应用

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为Maoyin Li与Fei Zhang，合作作者包括Stevan Cokic、Bart Van Meerbeek、Jef Vleugels等。研究团队来自比利时KU Leuven的材料工程系（Department of Materials Engineering）与口腔健康科学系（Department of Oral Health Sciences）。研究成果发表于期刊《Journal of Materials Science & Technology》2025年第210卷，页码97–108。

二、学术背景
本研究属于生物材料与牙科修复领域，聚焦于氧化锆陶瓷的性能优化。氧化钇稳定四方相氧化锆（Y-TZP）因高强度和高韧性被广泛用于牙科修复体，但其易发生低温降解（Low-Temperature Degradation, LTD，即水热老化），导致自发相变（四方相→单斜相），降低修复体寿命。相比之下，氧化铈稳定四方相氧化锆（Ce-TZP）无需氧空位稳定相结构，具有更高的水热稳定性，但其烧结温度高、晶粒粗大（~2 μm）、弯曲强度低（~500 MPa），限制了临床应用。

研究目标是通过共掺杂氧化钙（CaO）优化Ce-TZP的微观结构，降低烧结温度（≤1400°C），同时提升力学性能（如韧性、强度）和水热稳定性，并探索其在牙科修复中的应用潜力。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料：以10 mol%氧化铈稳定的氧化锆粉末（含0.25 wt% Al₂O₃）为基础，添加0.2–2.0 mol%的Ca(NO₃)₂·4H₂O作为CaO前驱体。
- 混合与烧结：通过球磨混合后，经700°C煅烧分解前驱体，冷等静压成型（300 MPa），随后在1300–1400°C下烧结2小时（升温速率5°C/min）。对照组使用CaO粉末直接掺杂。

1. 表征与测试

   • 微观结构：扫描电镜（SEM）观察晶粒尺寸与分布，X射线衍射（XRD）分析相组成（四方相t-ZrO₂、单斜相m-ZrO₂、立方相c-ZrO₂），Rietveld精修计算晶格参数。
     
   • 力学性能：维氏硬度（HV10）、压痕断裂韧性（KIC_if）、单边缺口梁法（SEVNB）测定断裂韧性（KIC_v）、双轴弯曲强度（ISO 6872标准）。
     
   • 水热老化：134°C高压蒸汽环境下测试相变稳定性。
     
   • 光学性能：分光光度计测量透光率（CIELAB坐标），与商用3Y-TZP材料（如GC ST、Katana HT等）对比。
     

2. 数据分析

   • 通过Pearson相关系数分析CaO含量、晶粒尺寸、相变率与力学性能的关系（SPSS软件）。
     

四、主要结果
1. 微观结构与相组成
- 0.2 mol% CaO掺杂的10Ce-TZP在1350°C烧结后获得完全致密的细晶结构（平均晶粒尺寸0.49 μm），无立方相生成。XRD显示其四方相晶格畸变（c/√2a）随CaO含量增加而降低，表明相稳定性提高。

1. 力学性能

   • 最佳性能组合：0.2Ca1350样品表现出超高韧性（KIC_v=10.4 MPa·m¹/²）和双轴弯曲强度（1210±43 MPa），韦伯模数达32.5（强度分布窄）。
     
   • 高CaO掺杂的影响：1.5–2.0 mol% CaO虽提升强度至1360 MPa，但因晶粒过细（~0.2 μm）和立方相生成，韧性下降至5.5 MPa·m¹/²。
     

2. 水热稳定性

   • 0.2 mol% CaO掺杂样品在400小时水热老化后仅产生4.2 vol%单斜相，远优于未掺杂Ce-TZP（老化后89.4 vol%单斜相）。
     

3. 透光性

   • 高CaO掺杂（1.0–2.0 mol%）样品的透光率与商用3Y-TZP相当，突破了传统Ce-TZP不透明的局限。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：揭示了CaO掺杂通过形成[Ca″Zr·V··O]缺陷簇抑制晶界迁移的机制，为氧化锆晶界工程提供了新思路。
2. 应用价值：0.2Ca1350材料兼具高韧性、高强度、窄强度分布和优异水热稳定性，适合牙科种植体；高透光性CaO-Ce-TZP为美学修复提供了新选择。

六、研究亮点
1. 低温烧结工艺：在1350°C下实现Ce-TZP的致密化（常规需1400–1600°C）。
2. 多性能协同优化：通过精准控制CaO含量，同时提升强度、韧性和透光性。
3. 前驱体创新：采用Ca(NO₃)₂·4H₂O替代CaO粉末，避免局部Ca富集导致的立方相缺陷。

七、其他发现
- 断裂模式转变：CaO掺杂使断裂从完全沿晶断裂转为部分穿晶断裂，表明晶界强度提升。
- 临床潜力：材料硬度（8–10 GPa）接近人牙釉质（3.72–4.00 GPa），可减少对颌牙磨损。