氧化鋯陶瓷口腔修復體的光固化增材制造研究進展

摘"要：氧化鋯陶瓷具有優異的機械性能、良好的理化性能和優良的修復效果，成為牙科修復體領域應用潛力較大的材料。然而，傳統的減材制造由于材料利用率低及生產效率不高，嚴重限制了氧化鋯修復體在口腔醫學領域的應用。增材制造尤其是光固化增材制造技術的出現和發展，為推廣氧化鋯陶瓷修復體的臨床應用提供了新途徑。本文對氧化鋯陶瓷修復體的光固化增材制造方法進行了綜述，并對影響氧化鋯陶瓷修復體產品質量的因素進行討論，最后對光固化增材制造陶瓷修復體的發展進行總結和展望。

關鍵詞：氧化鋯陶瓷；口腔修復體；增材制造；光固化技術

氧化鋯陶瓷因其優異的機械性能、良好的生物相容性以及自然逼真的色澤，成為口腔修復體領域使用最廣泛的材料之一。然而，隨著口腔咀嚼時間的增加，修復體會出現瓷體開裂甚至脫落的情況，這嚴重影響了其使用壽命。此外，氧化鋯陶瓷修復體的傳統成型工藝主要是以數控切削成型的減材制造［1］和以鑄造、粉漿涂塑成型的等材制造［23］。這些工藝存在數字化程度低、難以加工微小結構、易造成表面微裂等缺陷［3］，這嚴重制約了氧化鋯陶瓷修復體在口腔醫學領域的應用。

增材制造技術的出現，為解決氧化鋯陶瓷修復體在口腔應用中的實際問題提供了新途徑。增材制造也叫3D打印［4］，可實現個性化定制，并且產品生產周期短，后續加工量小，能有效提高產品質量。與傳統的制造技術對比，采用3D打印的氧化鋯陶瓷修復體可以滿足臨床修復體的基本需求。因此，為推動口腔醫學領域的發展，亟須將3D打印應用到氧化鋯陶瓷修復體成型領域，并對其進行深入研究。

因此，本文將圍繞氧化鋯陶瓷修復體的增材制造技術尤其是光固化增材制造進行綜述，探討其制造過程中存在的問題，最后對其發展進行展望并創新性地提出可行的研究方向。本文旨在為從事氧化鋯陶瓷修復體的研究人員提供一定的借鑒和參考，并期望推動增材制造在口腔醫學領域的應用和發展。

1"氧化鋯陶瓷修復體的光固化增材制造方法

陶瓷材料的增材制造在國內起步較晚，但在研究者們積極探索下，也已取得初步成效。自胡慶夕團隊［5］研發出可以打印生物材料的3D打印機后，3D打印在口腔修復領域顯示出顯著的優勢。口腔修復體的陶瓷材料主要有二硅酸玻璃、氧化鋯陶瓷（ZrO2）、氧化鋁陶瓷（Al2O3）以及以磷酸鈣（TCP）。其中，氧化鋯陶瓷是目前應用潛力最廣的材料［6］。氧化鋯陶瓷材料的增材制造研究已取得一定的進展，并得到初步的商業化應用［7］。研究發現，氧化鋯陶瓷修復體的最優成型方法為光固化增材制造。

氧化鋯口腔修復體的光固化增材制造基本流程主要包括以下幾步：首先，將氧化鋯粉末和光敏樹脂通過球磨的方式混合，得到光敏樹脂基氧化鋯陶瓷漿料；其次，用紫外光或其他高能量光源進行照射，使光敏樹脂發生聚合反應；再次，將光敏樹脂分層打印，獲得氧化鋯陶瓷修復體生坯；最后，通過后續處理（如干燥、脫脂和燒結等），得到氧化鋯陶瓷修復體。目前，光固化技術主要有立體光固化成型、數字光處理和雙光子聚合三種方法，下面將詳細介紹。

1.1"立體光固化成型技術

立體光固化成型技術（Stereo"Lithography"Apparatus，SLA）是在20世紀80年代初首次提出的，其成型原理如圖1所示。SLA技術使用高能量的紫外線激光束作為光源，使陶瓷漿料發生固化反應，然后逐步構建線條形成面，并通過逐層的方式完成特定構件的打印，將打印出的生坯放入燒結爐中進行脫脂、燒結等后處理，從而獲得最終成品［8］。

SLA技術研發成本較低，原材料利用率高，可生產優質陶瓷構件。參考文獻［9］中的學者利用SLA技術打印的氧化鋯陶瓷構件，其彎曲強度達到539MPa，基本滿足修復義齒的強度要求。此外，參考文獻［10］中的學者通過SLA技術制造的氧化鋯陶瓷構件相對密度可達到99%，保障了產品的致密度。

然而，SLA打印成型過程中陶瓷漿料固化效率較低，并且打印過程需要支撐設計，打印完成后還需要后處理，增加了工藝的復雜性。因此，目前SLA打印氧化鋯陶瓷修復體的相關工藝尚未完善，仍存在許多挑戰。

1.2"數字光處理

數字光處理技術（Digital"Light"Processing，DLP）屬于SLA技術的新分支，在1996年以成熟的產品形式走向市場。它的工作原理與SLA基本相同，但其光源為面光源［11］，見圖2所示。DLP技術可用于制造高分辨率和復雜形狀的陶瓷零件。

參考文獻［12］中的學者采用DLP技術打印出氧化鋯全瓷種植體，研究表明種植體的微觀結構和性能與傳統切削制造的修復體相當。參考文獻［13］中的學者使用此技術制造出相對密度接近99%的氧化鋯陶瓷種植體。賀勇等［7］也采用該方法打印了氧化鋯全瓷冠，并對其進行染色、上釉和燒結處理。最終制備的全瓷冠表面清晰，沒有明顯的內部隱裂。

DLP技術具有打印效率高、產品精度優異及性能優良等特點，然而其打印過程面臨與SLA技術同樣的問題和挑戰，例如氧化鋯打印材料的調配、打印參數的優化以及后處理等問題。因此，DLP技術制造氧化鋯全瓷修復體仍然任重而道遠。

1.3"雙光子聚合

隨著納米生物醫學領域的發展，雙光子聚合技術（Two"Photon"Polymerization，TPP）應運而生。TPP技術是光敏樹脂通過吸收紅外或綠色納米激光能量的光子來實現材料的聚合［14］。與SLA和DLP不同的是，TPP技術可以實現構件微觀顆粒尺寸達到亞微米級。TPP技術主要用于處理光敏樹脂材料，這與常見的陶瓷樹脂和陶瓷漿料完全不同。《3D科學谷》市場研究表明，TPP打印的較高含量氧化釔穩定的氧化鋯顆粒（YSZ）陶瓷構件，表面分辨率可低至500nm。并且，其抗壓強度可接近5GPa，具有很重要的市場應用價值。

2"光固化增材制造氧化鋯陶瓷修復體的影響因素

以氧化鋯陶瓷修復體的光固化增材制造研究為例，探討其3D打印過程存在的問題。綜上可知，其打印過程包括制備漿料、打印原型和后續處理三個方面。事實上，每一流程都影響著修復體的質量，下面將逐一討論。

（1）陶瓷漿料的影響。在制備陶瓷漿料時，需要在光敏樹脂中添加納米陶瓷粉末。由于顆粒之間的靜電力和范德華力造成陶瓷顆粒的團聚，這將增加漿料的黏度并降低其穩定性。此外，光敏樹脂和ZrO2的折射率差異，將限制紫外線的吸收并影響漿料的固化深度。焦一飛等［15］指出，氧化鋯陶瓷漿料的低黏度、持續穩定性和足夠固化深度等特性研究，仍存在一些科學問題，這嚴重限制了光固化增材制造氧化鋯陶瓷修復體的發展。

（2）3D打印參數的影響。光固化打印參數，例如刮刀速率、光源功率和打印溫度等，是影響產品質量的另一個因素。李晶晶等［16］對打印參數進行了研究，當打印層厚為0.05mm、填充速度為6000mm/s、填充線距為0.04～006mm、固化時間為100分鐘時，打印件表現出更清晰的內部結構，并且力學性能非常優異。

（3）后處理工藝的影響。光固化打印的氧化鋯種植體生坯需要脫脂和燒結，才能獲得最終產品。因此，后續處理的熱處理參數的優化是影響3D打印產品的關鍵問題。付祥松［17］指出，對于不超過4mm厚度的氧化鋯零件，在空氣氛圍、脫脂溫度為1150℃，燒結溫度為1500℃、保溫時間120分鐘的工藝參數下，能獲得結構和性能最優的氧化鋯陶瓷種植體。

綜上，無論是陶瓷漿料、3D打印參數以及后處理的工藝，都直接影響到氧化鋯陶瓷修復體產品的質量。只有解決氧化鋯陶瓷修復體在光固化增材制造過程中的上述影響因素，才能拓寬光固化3D打印的氧化鋯陶瓷修復體的臨床應用。

3"總結與展望

目前，光固化增材制造的氧化鋯陶瓷修復體為提高臨床口腔修復的設計定制和生產效率提供了可能。但是，若進行大規模生產仍面臨許多挑戰，例如3D模型優化、陶瓷漿料穩定性、打印工藝及后處理參數優化等［18］。因此，為推廣其市場應用，光固化3D打印氧化鋯陶瓷修復體的研究，可從以下幾個方面改進。

（1）調整陶瓷漿料參數，優化漿料的質量。比如漿料的固相含量、黏度和生物相容性等。

（2）調整打印參數，優化打印流程。例如，升級設備通過空腔內直接掃描進行個性化信息采集、建模以及切片等。

（3）調整熱處理參數，優化后處理工藝，提高修復體產品質量。例如，優化脫脂溫度、燒結溫度和保溫時間等。

此外，由于光固化打印的氧化鋯修復體是應用在口腔領域，那么，在臨床實驗中還要注意修復體的耐磨性、腐蝕性以及生物相容性，盡可能確保產品的性能、壽命及外觀，可與天然牙齒相媲美。隨著3D打印技術的發展，我們相信光固化增材制造勢必會推動陶瓷修復體在口腔修復領域的發展和應用。

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基金項目：國家級大學生創新訓練項目（S20231265"2003）；湖南省普通高等學校教學改革研究項目（HNJG20221381）；省級大學生創新訓練項目（S202210542170，S202212652010和S202310542096）

作者簡介：尹碧菊（1984—"），女，漢族，四川三臺人，博士，湖南師范大學工程與設計學院講師，研究方向：機械設計創新及增材制造。

*通信作者：馬國芝。