这是一项基于数字光处理（DLP）和氧化锆（ZrO₂）掺杂策略，旨在开发用于牙科修复体的高性能二硅酸锂玻璃陶瓷（lithium disilicate glass-ceramics, LDGCs）的原创研究。该研究由温州医科大学口腔医学院/附属口腔医院的夏千舒、童先、周鑫等人，联合RMIT大学（墨尔本皇家理工大学）工程学院的Yuncang Li、Cuie Wen等多位研究人员共同完成。通讯作者为童先、Jixing Lin、Cuie Wen以及Jianfeng Ma。该研究成果于2026年4月29日在线发表于学术期刊 Dental Materials（第42卷，页码1619-1639）。
一、 研究背景与目的
二硅酸锂玻璃陶瓷（LDGCs）因其优异的美学性能、生物相容性以及接近天然牙釉质的耐磨性，已成为口腔临床修复中应用最广泛的材料之一。然而，其固有的脆性、有限的机械强度以及在长期服役过程中的渐进性磨损，严重限制了它在高应力后牙区的应用。为了克服这些瓶颈，提升LDGCs的机械性能已成为牙科材料领域的研究热点。引入氧化锆（ZrO₂）进行增韧是一种有效的策略，它利用氧化锆的相变增韧机制，可以在保持美学效果的同时，显著提升材料的断裂韧性（fracture toughness）和弯曲强度（flexural strength），将LDGCs的适用范围拓展至后牙固定修复、长跨度桥及种植体支持式修复体。
当前文献中，氧化锆的掺杂量通常为4–5 mol%，例如商业产品Suprinity® PC含有4.54 mol%的ZrO₂。研究表明，掺杂量过低时增韧效果不显著，而过高的ZrO₂含量则会导致颗粒团聚及与玻璃基体热膨胀失配，引发微裂纹，反而劣化机械与光学性能。此外，传统上LDGCs主要通过热压铸造或计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）切削加工制造，但存在材料利用率低、刀具磨损大、易引入微裂纹和表面缺陷等问题。相比之下，增材制造（additive manufacturing, AM）技术，尤其是数字光处理（DLP），具有精度高、效率高、可实现个性化定制的优点，为高性能牙科陶瓷的制备开辟了新路径。
因此，本研究提出了一个假设：通过熔化衍生粉末法结合DLP技术，制备不同氧化锆含量（0, 2, 4, 6 mol%）的LDGCs，利用界面热失配产生适度的残余压应力，并促进形成细晶、均匀的二硅酸锂（Li₂Si₂O₅）/偏硅酸锂（Li₂SiO₃）双相结构，从而克服LDGCs的脆性，获得兼具优异力学、光学和生物相容性的材料。研究的最终目的是通过成分和工艺优化，提升ZrO₂增强硅酸锂玻璃陶瓷的综合性能，为开发与DLP成形兼容的高性能牙科修复材料提供新策略和理论基础。
二、 详细研究流程与方法
本研究的工作流程系统性地涵盖了从材料制备、性能表征到生物学评价的全过程，主要包含以下四个阶段。
阶段一：原料制备与DLP打印成形
首先，研究人员按照设计的四种组分（LDGC、LDGC2Z、LDGC4Z、LDGC6Z，分别对应0、2、4、6 mol%的ZrO₂），将分析纯的SiO₂、ZrO₂、K₂CO₃、Al₂O₃、Li₂CO₃和P₂O₅进行配料、干混，并在1400 °C下熔化2小时后水淬，获得无定形玻璃熔块。随后，将玻璃熔块与不同尺寸的ZrO₂球磨介质和乙醇混合，在行星球磨机中以350转/分钟湿磨12小时，干燥后过300目筛，获得均匀的玻璃粉末。
接着，配制固含量为50 vol%的光敏浆料。该浆料体系包含了自制的玻璃陶瓷粉末、分散剂（CPM-010, 014, 025）、溶剂（聚丙二醇）、增塑剂（邻苯二甲酸二丁酯）、防沉降剂以及来自毕克化学的光固化树脂组分（BYK111和BYK410）。浆料经过真空脱泡处理后，在一台自研的顶置式DLP打印机（HD50）上进行打印，光源为385 nm紫外激光。研究团队基于Jacobs固化方程，通过单层曝光测试确定了最佳曝光参数，以实现100-150 μm的固化深度，确保50 μm层厚下的层间结合力与成型精度。最终，打印出包括棒材、圆盘和牙冠在内的生坯。
阶段二：脱脂与烧结制度的建立
为了制定合理的热处理工艺，研究者对生坯进行了热重-差热分析（TG-DSC）。结果显示，生坯中的光敏树脂在100–550 °C区间完全分解，质量损失达34.4%，而550 °C后质量趋于稳定。根据DSC曲线显示的放热峰，研究团队设计了一个两步烧结工艺：第一步在箱式炉中进行缓慢脱脂与预晶化，在特定温度（187 °C, 334 °C, 400 °C）设置保温段以确保有机物完全排出，随后升温至第一个放热峰温度（Tp1，对应Li₂SiO₃结晶）并保温10小时，再升至第二个放热峰温度（Tp2，对应Li₂Si₂O₅结晶）保温3小时。第二步则在真空烧结炉中快速加热至Tp2保温1小时，再升温至熔化温度（Tm）进行致密化烧结，此处通过观测样品形态变化来确定能保持几何完整性的最佳致密化时间。
阶段三：微观结构与理化性能的综合表征
本阶段运用了多种先进手段对粉末和烧结样品进行全面表征。 * 物相与微观结构分析：利用X射线荧光光谱（XRF）和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析粉末成分；X射线衍射（XRD）结合Rietveld精修方法，对不同烧结阶段的物相组成进行定性和定量分析，揭示了ZrO₂掺杂能稳定Li₂SiO₃并抑制Li₂Si₂O₅析出的机制；通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察表面孔隙、晶体形态和微观结构，并利用能谱仪（EDS）进行元素分布分析；采用X射线光电子能谱仪（XPS）分析表面化学键合状态。 * 物理与光学性能测试：通过阿基米德排水法测试表观密度，测量线性收缩率评估尺寸变化，并采用显微CT结合Geomagic Control X软件对烧结牙冠进行三维偏差分析以评价打印精度；通过分光光度计测量并计算半透明度参数（TP）和乳光参数（OP），对比商业牙科陶瓷，系统评估了材料的光学性能；此外，还利用XRD的sin²ψ法测量了样品表面的残余应力。 * 力学与摩擦学性能评估：依据ISO 6872标准，采用活塞-三球法测试双轴弯曲强度（biaxial flexural strength），并使用两参数Weibull分布分析强度可靠性；通过1万次冷热循环（5°C和55°C）模拟口腔温度变化以评价抗老化性能；使用维氏硬度计和单边V形切口梁法（SEVNB）分别测量维氏硬度和断裂韧性；利用纳米压痕仪（nanoindentation）在微米/纳米尺度上测量玻璃相和晶相的硬度和弹性模量，特别对LDGC4Z样品进行了7×7阵列压痕测试以揭示其微观力学性能分布。在仿生唾液润滑下，以ZrO₂球为对磨副，进行了往复滑动磨损试验，通过光学轮廓仪和SEM分析了磨损体积和磨损形貌，并与天然牛牙釉质进行对比。
阶段四：生物相容性评价
体外实验包括按照ISO 10993-4标准进行的溶血试验，以及与人牙龈上皮细胞（HGECs）共培养的细胞相容性评价。细胞实验通过CCK-8法检测细胞活力，钙黄绿素-AM/PI活/死细胞双染色和鬼笔环肽/DAPI荧光染色观察细胞形态与增殖。最后，研究者在Sprague-Dawley大鼠背部皮下植入模型中对纯钛、LDGC和LDGC4Z三种材料进行了为期3个月的体内生物学评价，通过苏木精-伊红（H&E）染色和Ki-67免疫组化染色，系统评估了植入物周围组织的炎性细胞浸润、纤维囊厚度、新生血管化和组织整合情况。
三、 主要研究结果
研究结果表明，4 mol%的ZrO₂掺杂（LDGC4Z组）实现了性能的最优化平衡。在微观结构上，适量掺杂通过提供大量异质形核点和晶界的Zener钉扎效应，显著细化了晶粒尺寸，形成了均匀的Li₂Si₂O₅和Li₂SiO₃双相交织结构，并促进了致密化，有效减少了内部缺陷。而6 mol%的过度掺杂则导致晶粒异常长大和孔隙率增加。这种微观结构的优化直接转化为宏观性能的提升：LDGC4Z样品展现出卓越的综合性能，其弯曲强度达到约294 MPa，断裂韧性约为4.1 MPa·m½，弹性模量约为111.4 GPa，维氏硬度约为644 HV。在半透明度上，其TP值（15.29）实现了150%的显著提升，可与IPS e.max CAD HT等高透商业产品相媲美，同时具有优异的抗老化性能（老化后强度保持率为最高）。在摩擦学行为上，LDGC4Z虽然表现出比未掺杂组更高的磨损率，但其磨损机理（典型的三体磨粒磨损）与天然牛牙釉质高度相似，预示其可能避免对天然对颌牙的过度磨耗。在生物安全性方面，LDGC4Z样品确认了优秀的血液相容性，对人牙龈上皮细胞展现良好的细胞相容性，并在大鼠皮下植入模型中实现了稳定的组织整合。
四、 结论与价值
本研究成功地将DLP 3D打印技术与ZrO₂成分调控策略相整合，突破了传统加工路线的限制，建立了一个集可打印性、微结构可控制性及力学适配性为一体的新型LDGC体系。该体系不仅为高性能牙科修复材料的开发提供了重要的理论依据和工艺框架，也展示了其在美学要求高且承受中等载荷的前牙修复体（如贴面、嵌体、单冠）中的应用潜力。尽管其强度尚未全面超越传统切削工艺制得的商用材料，但其提供了一种无需传统机械加工、可个性化定制的先进制造新范式。研究明确指出，后续工作应聚焦于在保证浆料流变特性的前提下提高固含量，以及优化浆料配方与打印参数的匹配，以进一步提升DLP打印ZrO₂掺杂LDGCs的致密度与力学强度，加速其在口腔修复领域的临床转化。
五、 研究亮点
本研究的亮点在于其系统性和创新性的结合。第一，首次对DLP成形结合ZrO₂掺杂的Li₂Si₂O₅基玻璃陶瓷进行了从微观结构到宏观性能，再到体内生物安全的全面系统研究。第二，成功阐明了ZrO₂掺杂量的“双刃剑”效应，即适量掺杂通过晶粒细化、致密化促进和残余压应力场构建协同增强力学与光学性能的机制，以及过量掺杂导致性能恶化的原因。第三，证实了通过微结构调控可以实现修复材料与牙釉质之间的磨损行为匹配，这对于维持口颌系统的长期功能稳定至关重要。最后，本研究完成了从粉体、浆料、打印、烧结到最终牙冠精度评价的完整技术链验证，证明DLP技术制备的陶瓷冠可以达到临床要求的尺寸精度，为AM技术在口腔修复领域的实际应用提供了坚实的实验基础。