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本研究由Dedek Yusuf（Universitas Padjadjaran）、Eneng Maryani（印度尼西亚工业部陶瓷中心）、Deby Fajar Mardhian（Universitas Padjadjaran）和Atiek Rostika Noviyanti（Universitas Padjadjaran）共同完成，论文于2023年8月14日发表在期刊《Molecules》上，标题为《Evaluation of Structural Stability, Mechanical Properties, and Corrosion Resistance of Magnesia Partially Stabilized Zirconia (Mg-PSZ)》。
学术背景
氧化锆（ZrO₂）因其优异的机械性能（如高强度、高韧性、耐磨性）和生物相容性，被广泛应用于牙科种植体材料。然而，纯氧化锆在室温下为单斜相（monoclinic, m-ZrO₂），在高温下会转变为四方相（tetragonal, t-ZrO₂）和立方相（cubic, c-ZrO₂）。其中，四方相氧化锆具有更优的机械性能和耐腐蚀性，但需要在高温下稳定。因此，研究者通常通过掺杂金属氧化物（如氧化镁，MgO）来部分稳定氧化锆（Partially Stabilized Zirconia, PSZ），使其在室温下保持四方相结构。
本研究的目标是：
1. 利用印度尼西亚西加里曼丹的本地锆资源合成纳米级Mg-PSZ；
2. 评估其结构稳定性、机械性能和耐腐蚀性；
3. 探索其在牙科种植体应用中的潜力。
研究流程
1. 材料合成
- 前驱体制备：使用本地锆硅酸盐（ZrSiO₄）制备氢氧化锆（ZrO(OH)₂），并通过X射线荧光光谱（XRF）分析其成分，结果显示ZrO₂含量为79.24 wt%，MgO为11.06 wt%。
- Mg-PSZ合成：将ZrO(OH)₂与MgSO₄·7H₂O（MgO前驱体）和聚乙二醇（PEG-6000，作为模板剂）混合，调节pH至3.0，加热至120°C干燥，随后在800°C煅烧，最终得到纳米级Mg-PSZ。
- 掺杂比例：研究了不同MgO掺杂比例（1%、5%、10%、15%）对材料性能的影响。
2. 结构表征
- X射线衍射（XRD）：分析煅烧前后的晶体结构。结果显示，800°C煅烧后，所有样品均形成四方相氧化锆（t-ZrO₂），其中Zr₀.₉₅Mg₀.₀₅O₂的四方相占比最高（99.5%）。
- 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：确认Mg-O和Zr-O键的形成，并验证PEG-6000的降解机制。
3. 机械性能测试
- 维氏硬度测试：测试不同MgO掺杂比例的Mg-PSZ的硬度。结果显示，Zr₀.₉₀Mg₀.₁₀O₂的硬度最高（5266 MPa），远高于未掺杂的ZrO₂（554 MPa）。
4. 耐腐蚀性测试
- 模拟体液（SBF）浸泡实验：将样品浸泡在37°C的SBF中3天，测量pH变化和重量损失。结果显示，MgO掺杂比例越高，耐腐蚀性越强，其中Zr₀.₈₅Mg₀.₁₅O₂的重量损失最小（0.0069 g）。
主要结果
- 结构稳定性：MgO掺杂成功稳定了四方相氧化锆，其中5% MgO掺杂的样品（Zr₀.₉₅Mg₀.₀₅O₂）四方相占比最高（99.5%），符合牙科种植体材料的标准（单斜相占比<20%）。
- 机械性能：MgO掺杂显著提高了氧化锆的硬度，10% MgO掺杂的样品硬度达到5266 MPa，接近牙科种植体的要求（11.8 GPa）。
- 耐腐蚀性：MgO掺杂比例越高，材料在SBF中的降解速率越低，表明其具有优异的生物环境稳定性。
结论与意义
本研究成功合成了纳米级Mg-PSZ，并证明其具有优异的结构稳定性、机械性能和耐腐蚀性，适用于牙科种植体应用。与传统的氧化钇稳定氧化锆（Y-PSZ）相比，Mg-PSZ成本更低且性能相当，具有重要的工业应用潜力。
研究亮点
- 本地资源利用：首次使用印度尼西亚西加里曼丹的锆资源合成Mg-PSZ，降低了生产成本。
- 低温稳定四方相：通过MgO掺杂在800°C煅烧条件下成功稳定四方相氧化锆，避免了传统高温烧结的需求。
- 综合性能优化：通过调控MgO掺杂比例，实现了硬度、耐腐蚀性和相稳定性的平衡。
其他价值
本研究为开发低成本、高性能的牙科种植体材料提供了新思路，并展示了本地矿产资源在高附加值材料中的应用潜力。