氧化鋯陶瓷口腔修復(fù)體的光固化增材制造研究進展

摘"要：氧化鋯陶瓷具有優(yōu)異的機械性能、良好的理化性能和優(yōu)良的修復(fù)效果，成為牙科修復(fù)體領(lǐng)域應(yīng)用潛力較大的材料。然而，傳統(tǒng)的減材制造由于材料利用率低及生產(chǎn)效率不高，嚴重限制了氧化鋯修復(fù)體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。增材制造尤其是光固化增材制造技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為推廣氧化鋯陶瓷修復(fù)體的臨床應(yīng)用提供了新途徑。本文對氧化鋯陶瓷修復(fù)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(fù)體產(chǎn)品質(zhì)量的因素進行討論，最后對光固化增材制造陶瓷修復(fù)體的發(fā)展進行總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：氧化鋯陶瓷；口腔修復(fù)體；增材制造；光固化技術(shù)

氧化鋯陶瓷因其優(yōu)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(fù)體領(lǐng)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(fù)體會出現(xiàn)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(fù)體的傳統(tǒng)成型工藝主要是以數(shù)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(shù)字化程度低、難以加工微小結(jié)構(gòu)、易造成表面微裂等缺陷［3］，這嚴重制約了氧化鋯陶瓷修復(fù)體在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為解決氧化鋯陶瓷修復(fù)體在口腔應(yīng)用中的實際問題提供了新途徑。增材制造也叫3D打?。?］，可實現(xiàn)個性化定制，并且產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，后續(xù)加工量小，能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)對比，采用3D打印的氧化鋯陶瓷修復(fù)體可以滿足臨床修復(fù)體的基本需求。因此，為推動口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，亟須將3D打印應(yīng)用到氧化鋯陶瓷修復(fù)體成型領(lǐng)域，并對其進行深入研究。

因此，本文將圍繞氧化鋯陶瓷修復(fù)體的增材制造技術(shù)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(fā)展進行展望并創(chuàng)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(fù)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

1"氧化鋯陶瓷修復(fù)體的光固化增材制造方法

陶瓷材料的增材制造在國內(nèi)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(fā)出可以打印生物材料的3D打印機后，3D打印在口腔修復(fù)領(lǐng)域顯示出顯著的優(yōu)勢?？谇恍迯?fù)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(yīng)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(yè)化應(yīng)用［7］。研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋯陶瓷修復(fù)體的最優(yōu)成型方法為光固化增材制造。

氧化鋯口腔修復(fù)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(fā)生聚合反應(yīng)；再次，將光敏樹脂分層打印，獲得氧化鋯陶瓷修復(fù)體生坯；最后，通過后續(xù)處理（如干燥、脫脂和燒結(jié)等），得到氧化鋯陶瓷修復(fù)體。目前，光固化技術(shù)主要有立體光固化成型、數(shù)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(shù)

立體光固化成型技術(shù)（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(shù)使用高能量的紫外線激光束作為光源，使陶瓷漿料發(fā)生固化反應(yīng)，然后逐步構(gòu)建線條形成面，并通過逐層的方式完成特定構(gòu)件的打印，將打印出的生坯放入燒結(jié)爐中進行脫脂、燒結(jié)等后處理，從而獲得最終成品［8］。

SLA技術(shù)研發(fā)成本較低，原材料利用率高，可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)陶瓷構(gòu)件。參考文獻［9］中的學(xué)者利用SLA技術(shù)打印的氧化鋯陶瓷構(gòu)件，其彎曲強度達到539MPa，基本滿足修復(fù)義齒的強度要求。此外，參考文獻［10］中的學(xué)者通過SLA技術(shù)制造的氧化鋯陶瓷構(gòu)件相對密度可達到99%，保障了產(chǎn)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(shè)計，打印完成后還需要后處理，增加了工藝的復(fù)雜性。因此，目前SLA打印氧化鋯陶瓷修復(fù)體的相關(guān)工藝尚未完善，仍存在許多挑戰(zhàn)。

1.2"數(shù)字光處理

數(shù)字光處理技術(shù)（Digital"Light"Processing，DLP）屬于SLA技術(shù)的新分支，在1996年以成熟的產(chǎn)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(shù)可用于制造高分辨率和復(fù)雜形狀的陶瓷零件。

參考文獻［12］中的學(xué)者采用DLP技術(shù)打印出氧化鋯全瓷種植體，研究表明種植體的微觀結(jié)構(gòu)和性能與傳統(tǒng)切削制造的修復(fù)體相當(dāng)。參考文獻［13］中的學(xué)者使用此技術(shù)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(jié)處理。最終制備的全瓷冠表面清晰，沒有明顯的內(nèi)部隱裂。

DLP技術(shù)具有打印效率高、產(chǎn)品精度優(yōu)異及性能優(yōu)良等特點，然而其打印過程面臨與SLA技術(shù)同樣的問題和挑戰(zhàn)，例如氧化鋯打印材料的調(diào)配、打印參數(shù)的優(yōu)化以及后處理等問題。因此，DLP技術(shù)制造氧化鋯全瓷修復(fù)體仍然任重而道遠。

1.3"雙光子聚合

隨著納米生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，雙光子聚合技術(shù)（Two"Photon"Polymerization，TPP）應(yīng)運而生。TPP技術(shù)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(xiàn)材料的聚合［14］。與SLA和DLP不同的是，TPP技術(shù)可以實現(xiàn)構(gòu)件微觀顆粒尺寸達到亞微米級。TPP技術(shù)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?！?D科學(xué)谷》市場研究表明，TPP打印的較高含量氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯顆粒（YSZ）陶瓷構(gòu)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(yīng)用價值。

2"光固化增材制造氧化鋯陶瓷修復(fù)體的影響因素

以氧化鋯陶瓷修復(fù)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(xù)處理三個方面。事實上，每一流程都影響著修復(fù)體的質(zhì)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(wěn)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(xù)穩(wěn)定性和足夠固化深度等特性研究，仍存在一些科學(xué)問題，這嚴重限制了光固化增材制造氧化鋯陶瓷修復(fù)體的發(fā)展。

（2）3D打印參數(shù)的影響。光固化打印參數(shù)，例如刮刀速率、光源功率和打印溫度等，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的另一個因素。李晶晶等［16］對打印參數(shù)進行了研究，當(dāng)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(xiàn)出更清晰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且力學(xué)性能非常優(yōu)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(jié)，才能獲得最終產(chǎn)品。因此，后續(xù)處理的熱處理參數(shù)的優(yōu)化是影響3D打印產(chǎn)品的關(guān)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(jié)溫度為1500℃、保溫時間120分鐘的工藝參數(shù)下，能獲得結(jié)構(gòu)和性能最優(yōu)的氧化鋯陶瓷種植體。

綜上，無論是陶瓷漿料、3D打印參數(shù)以及后處理的工藝，都直接影響到氧化鋯陶瓷修復(fù)體產(chǎn)品的質(zhì)量。只有解決氧化鋯陶瓷修復(fù)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(fù)體的臨床應(yīng)用。

3"總結(jié)與展望

目前，光固化增材制造的氧化鋯陶瓷修復(fù)體為提高臨床口腔修復(fù)的設(shè)計定制和生產(chǎn)效率提供了可能。但是，若進行大規(guī)模生產(chǎn)仍面臨許多挑戰(zhàn)，例如3D模型優(yōu)化、陶瓷漿料穩(wěn)定性、打印工藝及后處理參數(shù)優(yōu)化等［18］。因此，為推廣其市場應(yīng)用，光固化3D打印氧化鋯陶瓷修復(fù)體的研究，可從以下幾個方面改進。

（1）調(diào)整陶瓷漿料參數(shù)，優(yōu)化漿料的質(zhì)量。比如漿料的固相含量、黏度和生物相容性等。

（2）調(diào)整打印參數(shù)，優(yōu)化打印流程。例如，升級設(shè)備通過空腔內(nèi)直接掃描進行個性化信息采集、建模以及切片等。

（3）調(diào)整熱處理參數(shù)，優(yōu)化后處理工藝，提高修復(fù)體產(chǎn)品質(zhì)量。例如，優(yōu)化脫脂溫度、燒結(jié)溫度和保溫時間等。

此外，由于光固化打印的氧化鋯修復(fù)體是應(yīng)用在口腔領(lǐng)域，那么，在臨床實驗中還要注意修復(fù)體的耐磨性、腐蝕性以及生物相容性，盡可能確保產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，我們相信光固化增材制造勢必會推動陶瓷修復(fù)體在口腔修復(fù)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

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基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（S20231265"2003）；湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目（HNJG20221381）；省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)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(xué)工程與設(shè)計學(xué)院講師，研究方向：機械設(shè)計創(chuàng)新及增材制造。

*通信作者：馬國芝。