本研究由北京大学口腔医学院口腔材料研究室的李楠 (Nan Li)、张云龙 (Yunlong Zhang) 以及天津医科大学口腔医学院的李贺真 (Hezhen Li) 和韩建民 (Jianmin Han) 等学者合作完成。该研究成果发表于国际陶瓷领域期刊 《Ceramics International》 第52卷（2026年），刊载于第22995至23006页。研究团队的通讯作者为李贺真与韩建民。
在口腔修复与种植领域，四方相氧化锆多晶体（Tetragonal Zirconia Polycrystals, TZPs）因具备优异的力学性能和生物相容性而被广泛应用。其中，3 mol%氧化钇稳定的四方氧化锆（3Y-TZP）是目前临床应用最广泛的类型，其弯曲强度高达900至1200 MPa。然而，其相对较低的断裂韧性（4–6 MPa·m¹/²）使得材料在复杂的口腔咀嚼载荷下存在突然断裂的风险。与此相对，氧化铈稳定的四方氧化锆（Ce-TZP）虽具备更高的断裂韧性（>8 MPa·m¹/²）和优异的缺陷耐受性，但其弯曲强度却显著偏低（400–600 MPa），无法满足高负荷区域的要求。这一强度与韧性之间的固有矛盾，是长期困扰材料学家的核心问题。
相变增韧是氧化锆陶瓷的关键强韧化机制。在应力作用下，亚稳态的四方相二氧化锆会转变为单斜相二氧化锆，伴随产生4–5%的体积膨胀，进而对裂纹尖端施加局部压应力，阻碍裂纹扩展。基于这一机制，通过氧化钇（Y₂O₃）和氧化铈（CeO₂）共掺杂来协同调控相变能力，被认为是打破强度-韧性平衡困境的有力策略。已有研究表明，Y-Ce共掺杂体系（Y-Ce-TZP）有望兼具Y-TZP的高强度与Ce-TZP的高韧性。其中，含1 mol%氧化钇和6 mol%氧化铈的四方氧化锆（1Y6Ce-TZP）即是一种有潜力的候选材料。
除了力学性能，长期服役过程中的低温水热老化（Low-Temperature Degradation, LTD）问题是决定氧化锆陶瓷临床寿命的另一关键因素。LTD是一种在潮湿环境中发生的自发性的四方相到单斜相（t–m）的相变。该相变起始于材料表面孤立的晶粒，并逐步向材料内部扩展，由此引发的微裂纹会严重损害其力学性能。值得注意的是，临床应用中，牙科陶瓷会根据用途接受不同的表面处理，例如，修复体需要高度抛光以减少菌斑附着，而种植体则常需粗化以促进骨结合。这些不同的表面状态会显著影响材料的抗老化行为。
本研究正是从这一临床现实出发，旨在系统评价1Y6Ce-TZP陶瓷的力学性能，并重点探究其在不同表面状态下（模拟临床极端情况）的低温老化行为。研究通过与经典的3Y-TZP和12Ce-TZP进行对比，深入分析了1Y6Ce-TZP的相变动力学、残余强度、表面粗糙度演变、相变层深度及微观结构变化，以全面评估其作为新型牙科陶瓷的应用潜力与局限性。
本研究设计了一项对比性实验，以3Y-TZP和12Ce-TZP作为参照，系统评估1Y6Ce-TZP的力学与老化性能。
1. 样品制备与分组 研究使用了三种商业氧化锆粉体（均由日本第一稀元素化学工业株式会社提供）：3Y-TZP、12Ce-TZP以及1Y6Ce-TZP。粉体首先在150 MPa压力下干压成型为圆盘状及矩形块状坯体，经过500°C排胶后，在空气中1450°C进行无压烧结，保温2小时，最终获得致密化的陶瓷试样。圆盘试样被分为两组，分别保留“烧结态（as-sintered）”表面和打磨抛光至镜面状态（mirror-polished）的表面，用以代表粗糙、富含缺陷的表面与光滑、缺陷有限的表面这两种临床极端情况。矩形块体则被加工成标准尺寸，用于断裂韧性测试。
2. 微观结构与物相表征 研究首先对三种陶瓷的相对密度、晶粒尺寸及物相组成进行了表征。利用阿基米德排水法测定密度；试样经过抛光及1300°C热蚀处理后，使用扫描电子显微镜观察微观形貌，并通过线性截距法测量至少300个晶粒以统计平均晶粒尺寸。物相分析采用了X射线衍射仪及拉曼光谱仪。通过分析拉曼光谱中特定波数的单斜相（m-phase）和四方相（t-phase）特征峰积分面积，半定量计算了单斜相分数（fm）。
3. 力学性能测试 力学性能是评价结构陶瓷的核心。本研究依照国际标准，采用活塞-三球法在万能试验机上测试了圆盘试样的双轴弯曲强度，每组10个样本。采用单边缺口梁法测试断裂韧性，每组同样10个样本。此外，使用维氏硬度计在98.1 N载荷下测量了镜面抛光试样的维氏硬度，并利用光学显微镜观察压痕周围的裂纹扩展与相变区形貌。强度数据还通过双参数威布尔分布进行分析，以获得威布尔模数（m）和特征强度（σ₀），用以评估强度的可靠性。随后，通过SEM观察断口形貌，并采集断口表面的拉曼光谱，以分析断裂过程中的相变行为。
4. 低温水热老化行为评估 老化的评价是本研究的关键。依据ISO 13356:2015标准，研究对烧结态和镜面抛光态的试样进行了长达40小时的加速水热老化试验（134°C，0.2 MPa水蒸气压力）。在选定的时间点，通过X射线衍射定量试样表面的单斜相含量。在老化5小时后，测试了试样的残余双轴弯曲强度，以验证其是否满足ISO标准。同时，研究利用白光干涉仪监测了镜面抛光试样在老化过程中的表面粗糙度变化。老化40小时后，记录了试样的宏观颜色变化，并使用分光光度计基于CIELAB色彩空间对颜色进行定量，计算总色差（ΔE*）。最后，通过SEM观察试样横截面，以测量相变层深度并分析其内部的微观结构变化。
1. 力学性能的协同优化 研究结果显示，1Y6Ce-TZP成功实现了强度与韧性的良好平衡。其维氏硬度（10.9 ± 0.2 GPa）和断裂韧性（8.8 ± 0.5 MPa·m¹/²）均介于3Y-TZP（硬度13.2 GPa，韧性6.4 MPa·m¹/²）和12Ce-TZP（硬度8.8 GPa，韧性9.3 MPa·m¹/²）之间。特别值得一提的是，1Y6Ce-TZP的双轴弯曲强度（镜面抛光态为910 ± 125 MPa）与高强度的3Y-TZP（998 ± 117 MPa）在统计学上无显著差异，但相比12Ce-TZP（571 ± 81 MPa）提高了59.4%。同时，其韧性相较3Y-TZP提升了37.5%。
断口形貌分析揭示了其高强度的来源。3Y-TZP表现出广泛的穿晶断裂，而12Ce-TZP则主要为沿晶断裂。1Y6Ce-TZP的断口则呈现穿晶与沿晶断裂共存的特征。拉曼光谱证实，在断裂过程中，1Y6Ce-TZP和12Ce-TZP的断口表面发生了显著的t–m相变，而3Y-TZP的相变程度则低得多。这表明，作为一种高相变能力材料，1Y6Ce-TZP的强度不再仅由缺陷尺寸控制，而是主要取决于触发相变的临界应力，这一临界应力与其相对12Ce-TZP更细小的晶粒尺寸密切相关。因此，通过共掺杂策略，1Y6Ce-TZP巧妙地利用相变增韧机制，同时获得了高强度和高韧性。
2. 强烈的表面依赖性老化行为 这是本研究最核心的发现。1Y6Ce-TZP的抗低温老化能力展现出对表面状态的极度敏感性。与烧结态表面相比，镜面抛光处理能够显著延缓其老化进程。 经过5小时老化后（模拟约15-20年体内服役），烧结态1Y6Ce-TZP表面的单斜相含量即飙升至59.0%，远超ISO 13356:2015标准规定的25%上限；而镜面抛光表面的单斜相含量仅为5.2%，完全满足标准要求。相应的强度衰减也呈现出巨大差异：烧结态试样强度下降了16.1%，而抛光试样仅下降8.6%，后者同样满足标准提出的强度衰减不超过20%的要求。 在更长周期的40小时老化后，这种差异依然显著。烧结态试样的相变层厚度达到了约38 μm，而镜面抛光试样仅为约18 μm。伴随相变的加剧，1Y6Ce-TZP的表面粗糙度显著增加，且宏观上出现了从浅黄色向白色的明显颜色变化，其总色差（ΔE*）分别为12.5（烧结态）和10.8（镜面抛光态），远高于临床可察觉的阈值3.7。这对其在前牙美学区的应用构成了直接威胁。横截面SEM图像显示，老化引起的沿晶微裂纹在相变层内清晰可见，揭示了性能劣化的微观机制。
相比之下，参照组12Ce-TZP展现出卓越的抗老化性能，无论何种表面状态，40小时老化后均未发生明显相变。而3Y-TZP虽然也表现出抛光延缓老化的现象，但其总体老化敏感性远低于1Y6Ce-TZP。研究指出，1Y6Ce-TZP较差的抗老化能力可能归因于其稳定剂（1 mol% Y₂O₃ + 6 mol% CeO₂）的总含量相对较低，未能达到有效抑制水热老化的临界阈值。
本研究从临床应用视角出发，系统评价了1Y6Ce-TZP陶瓷，得出结论认为该材料在未老化状态下展现出强度与韧性的优越组合，但其抗低温老化性能却是一个不容忽视的短板，且其老化行为高度依赖于表面状态。镜面抛光能延缓但不能根除其老化趋势。尽管镜面抛光态的1Y6Ce-TZP能够通过ISO标准的加速老化测试，但其在富含缺陷表面条件下的老化高风险性，对未来临床加工（如调颌、喷砂等）提出了极其严格的要求，并对其长期稳定性构成了严峻挑战。
本研究的科学价值在于，它揭示了Y-Ce-TZP体系中力学性能优化与抗水热老化稳定性之间的另一维度矛盾，即共掺杂在打开相变增韧窗口的同时，也可能因其稳定剂浓度不足而引入了老化敏感性。这为进一步的材料组分和微观结构优化指明了方向。在应用层面，本研究为牙科陶瓷的临床表面处理提供了关键的安全警示，强调了任何可能引入表面缺陷的操作都可能成为加速修复体老化的起点，对于指导临床操作规范具有重要的现实意义。
本研究的亮点主要体现在以下三个方面： 1. 新颖的研究视角：不同于以往多侧重于材料固有性能的研究，本研究从临床实际出发，聚焦于“表面状态”这一加工和应用中的关键变量，系统地评估了其对新型陶瓷老化行为的影响，揭示了实验室标准测试与临床实际风险之间的潜在差距。 2. 系统全面的评价体系：构建了一套涵盖微观（晶粒尺寸、相变层深度、微裂纹）到宏观（强度、韧性、粗糙度、颜色）的完整评价链条，特别是引入颜色变化（ΔE*）作为老化程度的评价指标，高度契合牙科美学需求。 3. 对现有认知的挑战与补充：研究结果挑战了“添加CeO₂总能提高抗老化性”的简单认知，明确指出在Y-Ce共掺杂体系中，稳定剂总浓度必须超过一个临界值方能在实现强韧化的同时保证抗老化性，为新一代高韧性氧化锆陶瓷的开发提供了关键的理论和实验依据。