本文档发表于《Dental Materials》期刊第40卷（2024年）第664-673页，于2024年2月19日在线发表。该研究由美国宾夕法尼亚大学牙科医学院预防与修复科学系材料微观结构与物理力学实验室的Abdulaziz M. Alshahrani、Chek Hai Lim、Mark S. Wolff、Malvin N. Janal和Yu Zhang（通讯作者）共同完成，合作单位还包括沙特阿拉伯国王哈立德国王大学牙科学院修复牙科学系以及纽约大学牙科学院流行病学与健康促进系。

本研究属于牙科修复材料科学领域，具体聚焦于牙科氧化锆陶瓷的烧结工艺研究。背景在于，氧化锆全瓷修复体因其优异的机械性能和生物相容性已成为当代修复牙科的主流选择。为了满足美学需求，氧化锆的透明度（translucency）不断被改进，但通常伴随着强度的降低，因此需要在强度与透明度之间取得平衡。传统氧化锆修复体采用软加工（soft-machining）预烧结坯块，随后需要长达4-12小时的长时间烧结，这成为临床工作流程中的主要瓶颈，使其难以实现单次就诊（chairside）治疗。近年来，快速烧结（speed sintering, SS）和高速烧结（high-speed sintering, HS）技术应运而生，可将烧结时间缩短至数十分钟，为实现单次就诊修复带来了希望。然而，这些快速烧结工艺对氧化锆最终性能（如致密化、微观结构、相组成、透明度及强度）的影响尚不完全明确，且既往研究多关注机械性能，对光学性能和致密化行为的研究较少，同时使用的材料、烧结方案和炉具各异，难以得出明确结论并阐明其内在机制。因此，本研究旨在系统研究当前推荐的SS和HS方案对三种不同氧化钇含量（3 mol.% Y2O3, 4YSZ; 4 mol.% Y2O3, 4YSZ; 5 mol.% Y2O3, 5YSZ）的氧化钇稳定氧化锆（Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ）的致密化、微观结构、相组成、透明度及弯曲强度的影响。其零假设（null hypothesis）为：与常规烧结（conventional sintering, CS）相比，当前推荐的SS和HS方案对牙科YSZ的致密化、光学及机械性能没有影响。

本研究的工作流程系统而严谨，主要包括以下几个步骤： 第一步：试样制备。 研究使用了日本东曹公司（Tosoh Corporation）生产的三种专为牙科设计的氧化锆粉末：3YSZ（Zpex）、4YSZ（Zpex 4）和5YSZ（Zpex Smile）。总共制备了162个圆盘状试样（每种材料、每种烧结方案n=18）。首先通过单轴加压和冷等静压（250 MPa）成型生坯（ø17 mm × 3 mm）。分配给SS和HS组的试样，先按照东曹公司开发的方案进行预烧结（bisque fired）：在960°C下保温120分钟，升降温速率均为1°C/min。随后，所有试样分别按照三种烧结方案进行最终烧结：常规烧结（CS，作为对照，总时长约12小时）、快速烧结（SS，3YSZ约28分钟，4YSZ和5YSZ约60分钟）和高速烧结（HS，约18分钟）。具体的升温、保温和降温程序根据制造商推荐设定，并使用不同炉具（CS: KSL-1700X；SS: CS4；HS: SpeedFire）执行。烧结后的试样经过自动抛光机顺序抛光至镜面，最终尺寸为ø13.75 ± 0.02 mm × 1 ± 0.02 mm，以确保后续测试的标准化。

第二步：性能测试与表征。 研究对抛光后的试样进行了多项测试，每种测试均有明确的样本量（n值）。 1. 密度测量：采用阿基米德法（Archimedes’ method）测量体密度（n=12）。理论密度根据氧化锆中四方相和立方相的理论密度及其含量（通过XRD分析获得）计算得出。相对密度通过体密度除以理论密度计算。 2. 物相定量分析：使用X射线衍射仪（XRD，Rigaku Miniflex 6G）分析晶体相（n=2）。扫描范围为10°至80°。采用Mochales等人开发的公式，基于四方相的It(004)和It(220)峰以及立方相的Ic(400)峰的强度，计算立方相（c-ZrO2）的体积分数。 3. 微观结构分析：将抛光后的氧化锆圆盘在1050°C下热蚀刻20分钟以显示晶界，随后使用扫描电子显微镜（SEM，Quanta 600 FEG）观察。采用线性截距法（ASTM E112标准）测量平均晶粒尺寸，每个试样分析至少500个晶粒，并使用ImageJ软件进行计算。 4. 透明度测定：使用分光光度计（SpectroShade Micro）在黑色和白色背景下测量抛光试样的颜色坐标（CIELAB），并计算透明度参数（Translucency Parameter, TP）和对比率（Contrast Ratio, CR）（n=12）。为增强光学接触，在试样与背景之间滴加了折射液。 5. 双轴弯曲强度测量：采用活塞-三球法（piston-on-3-ball method，符合ISO 6872:2015标准）在万能试验机上测试双轴弯曲强度（n=18）。加载速率为1 mm/min，直至试样断裂。根据公式计算弯曲强度，并基于威布尔统计（Weibull statistics）分析失效概率，计算威布尔模量（Weibull modulus, m）和特征强度。

第三步：数据分析。 所有数据首先进行正态性检验（Shapiro–Wilk方法）。符合正态分布的数据采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey事后检验进行比较；不符合正态分布的数据则采用非参数Kruskal–Wallis检验和Dunn事后检验。显著性水平设为α = 0.05。威布尔模量之间的差异也进行了统计学比较。

本研究取得了以下主要结果： 1. 致密化与孔隙率：对于所有三种YSZ成分，常规烧结（CS）得到的相对密度最高，其次是快速烧结（SS），高速烧结（HS）最低。CS组的孔隙率最低（约0.26-0.38%），而SS和HS组的孔隙率显著增高（约2.0-3.5%），增加了约5-10倍。这表明SS和HS方案，特别是HS，由于在最终烧结阶段的保温时间不足（HS仅5分钟），未能有效消除残余孔隙，导致了不完全的致密化。 2. 物相组成：XRD分析表明，无论采用CS、SS还是HS方案烧结，三种YSZ材料都只检测到四方相和立方相，没有单斜相。不同烧结方案下，各材料的立方相含量没有显著差异。立方相含量随氧化钇含量增加而增加：5YSZ > 4YSZ > 3YSZ。 3. 微观结构：晶粒尺寸受烧结方案和成分共同影响。总体而言，对于同一种材料，HS烧结产生了最大的晶粒尺寸，CS次之，SS最小。特别值得注意的是，HS烧结的5YSZ晶粒尺寸最大（约3.25 μm），而SS烧结的试样晶粒尺寸最小。SEM观察发现，SS和HS烧结的试样中存在一些微小孔隙，这些孔隙位于多晶粒交界处或较大晶粒内部，其尺寸通常小于平均晶粒尺寸的十分之一。 4. 光学性能（透明度）：常规烧结（CS）得到的透明度参数（TP）最高，SS和HS烧结的TP值则显著降低。对于CS烧结的YSZ，TP值随立方相（即氧化钇）含量增加而增加。然而，这种依赖性在SS和HS烧结的试样中变得不明显，尤其是HS烧结的试样。相关性分析表明，对于给定的YSZ成分，TP值与相对密度（ρ_rel）呈正相关，即密度越高，透明度越好。晶粒尺寸与TP值之间没有明确的关联。 5. 机械性能（弯曲强度）：对于给定的YSZ成分，三种烧结方案（CS, SS, HS）得到的双轴弯曲强度（σ）值没有统计学上的显著差异。弯曲强度主要取决于材料成分：3YSZ的强度最高（~1000 MPa），其次是4YSZ（~800-850 MPa），5YSZ最低（~670 MPa）。强度随立方相（氧化钇）含量增加而降低。重要的是，尽管SS和HS引入了更高的孔隙率，但弯曲强度并未受到影响。研究指出，这是因为孔隙尺寸（平均<0.21 μm）远小于平均晶粒尺寸（0.33-3.25 μm），因此这些“微小”的孔隙并未成为主导性的格里菲斯裂纹（Griffith flaws），从而未影响材料的瞬时强度。 6. 威布尔分析：所有材料在不同烧结方案下的威布尔模量（m）在10.0到14.3之间，且95%置信区间相对紧密。统计分析表明，不同材料组之间以及不同烧结方案之间的威布尔模量没有显著差异，这进一步证实了不同烧结方案对YSZ的弯曲强度（数据分散性）没有影响。

基于以上结果，本研究得出结论：当前推荐的快速烧结（SS）和高速烧结（HS）方案会显著降低不同氧化钇稳定氧化锆（3YSZ, 4YSZ, 5YSZ）的密度和透明度，但不会影响其弯曲强度。即使HS采用了更高的烧结温度（1560°C），过短的保温时间（5分钟）也导致残余孔隙消除不充分。残余孔隙会引起光散射，从而降低透明度。研究发现，SS烧结的3YSZ、4YSZ和5YSZ残留孔隙较少，而HS烧结则与较高的残留孔隙和缺陷相关。因此，研究拒绝了部分零假设，即SS和HS方案对致密化和光学性能有影响，但对机械性能无影响。从临床角度看，虽然所有材料无论采用何种烧结方案，其平均弯曲强度均满足ISO 6872标准对三单位修复体（包括磨牙）最低500 MPa的要求，但若以5%失效概率作为临床成功阈值，5YSZ材料（无论何种烧结）的强度值已接近该最低要求。在透明度方面，若以TP值20%作为良好透明度的下限，则所有HS烧结的YSZ以及SS烧结的3YSZ均无法满足要求，突显了HS方案在致密化方面的严重不足。尽管如此，这些透明度较低但强度足够的HS和SS烧结的3YSZ和4YSZ，为美学要求较低的后牙单冠和小型固定修复体（FDPs）提供了一种有吸引力的、可实现单次就诊的修复选择。

本研究的亮点在于：1. 系统性对比：首次在统一、可控的条件下，使用相同来源的商用粉末（东曹Zpex系列），系统比较了CS、SS、HS三种烧结方案对三代不同氧化钇含量YSZ（3YSZ, 4YSZ, 5YSZ）的全面性能（密度、物相、微观结构、透明度、强度）影响。2. 机制阐释：明确指出了SS和HS导致透明度下降的主要原因是致密度降低（孔隙率增加），而非物相或晶粒尺寸的显著改变；同时解释了高强度孔隙率未导致强度下降的原因在于孔隙尺寸远小于晶粒尺寸，并非主导缺陷。3. 临床指导意义：研究结果提供了明确的性能数据，有助于临床医生根据修复体的位置（前牙/后牙）和美学要求，在选择材料（YSZ类型）和烧结方案（CS/SS/HS）时做出更科学的权衡。4. 指出优化方向：研究明确指出，当前的SS和HS参数（尤其是保温时间）需要针对每种YSZ成分进行优化，以获得更高的密度，从而达到更好的透明度和强度。

此外，研究也指出了自身的局限性，例如使用了平面试样而非具有复杂解剖形态的牙冠，这虽然便于标准化测试和实验室间比较，但未能完全模拟临床修复体中由CAD/CAM加工引起的残余应力等复杂情况。同时，含有残留孔隙的快速烧结试样的疲劳寿命仍有待研究。未来研究应侧重于针对每种YSZ成分优化快速烧结参数，以实现更好的致密化，从而获得更优的光学和机械性能。