8.6.1 氧化锆瓷质晶须口腔修复和牙科生物医用材料
1）氧化锆晶须口腔修复和牙科生物医用材料的研究和制备
氧化锆增韧陶瓷作为一种新型精细陶瓷，具有良好的机械性能（断裂韧性、强度、硬度等）、生物相容性、稳定性、美观性、热导性和成形性，能很好解决常规全瓷冠材料强度和韧性不足的问题。与其他传统修复材料相比，氧化锆修复体具有如下优势：
（1）能与金属相媲美的机械性能，可完全承受后牙的咀嚼力。
（2）纳米级氧化锆颗粒更细，更光滑，不易附着菌斑，材质、颜色与周围自然牙齿组织接近，改善了美观程度。
（3）全瓷冠内无金属支撑物，一方面能提高患者对外观的满意度，另一方面对X射线无阻射作用，临床不必担心与磁场有关的检查。
（4）组织相容性良好，置入后不会受到唾液、龈沟液的腐蚀，对口腔内软组织无毒性作用，在全瓷冠修复材料（单冠、固定义齿）、种植材料、桩核材料等方面取得了长足发展，成为口腔医学领域的研究热点。在对氧化锆纳米复合陶瓷义齿和全瓷牙的制备及性能研究方面，20世纪70年代，德国著名的VITA公司发明了In-Ceram技术，全瓷冠的强度得到了很大的提高，并很快应用于临床；同时，全瓷冠逼真的美学效果令牙医们震惊，连牙医也很难分辨哪一颗是假牙。随着材料科学和计算机技术的发展，CAD-CAM技术被应用于假牙的制作，目前二氧化锆电脑全瓷牙Cercon已成为全瓷牙中最成功的产品。
但是我国在全球种植牙市场中只占据了约1%的市场，这并不是我国需求市场小，而是因为氧化锆全瓷牙的高价格（约3000元/颗）造成了较低的市场渗透率。受益于我国经济发展，人民对全瓷牙接受程度及对口腔义齿重视程度的提高，以及我国加速老龄化的现状，氧化锆全瓷牙在义齿行业的市场渗透率有望进一步提高。
目前，牙科常用的氧化锆陶瓷包括：四方相氧化锆陶瓷（Y-TZP）、氧化锆增韧陶瓷、部分稳定氧化锆陶瓷及纳米氧化锆与氧化铝复合陶瓷。这四种氧化锆陶瓷都含有稳定的四方相，都通过马氏体相变增韧，但微观结构却各不相同，这便决定了其不同的性能及与之适配的加工工艺。其中四方相氧化锆陶瓷由单一细小的四方相氧化锆晶粒组成，力学性能较高并且稳定，其中以氧化钇作为稳定剂的四方相氧化锆陶瓷（Y-TZP）的应用最为广泛，牙科常用四方相氧化锆陶瓷晶粒尺寸为0.2～0.5μm，弯曲强度为800～1 000 MPa，断裂韧性为6～8 MPa/m2。四方相氧化锆陶瓷的机械性能主要取决于晶粒尺寸，如晶粒小于1μm，相变率较低，力学性能相对稳定，如晶粒过小（＜0.2μm），基本不发生相变，韧性将下降。因此，烧结条件影响晶粒尺寸，将直接决定氧化锆陶瓷的稳定性和机械性能，烧结温度过高和时间过长都会导致晶粒的长大。目前，根据不同的产品体系氧化锆坯体的朂终烧结温度不同，基本在1350～1500℃范围内，这一温度范围可能影响晶粒尺寸和晶相的稳定性。氧化锆坯体经机械加工再烧结后，可以阻止应力诱导相变的发生，氧化锆陶瓷表面无单斜相。一般牙科用氧化锆坯体烧结成型后不推荐表面的喷砂和抛光处理，以避免相变，并且可能形成表面缺陷，降低修复体的抗疲劳性。对于直接进行机械加工的氧化锆陶瓷来说，含有大量的单斜相氧化锆，表面存在微裂纹，易出现疲劳现象。尽管氧化锆具有较高的力学性能，但机械性能的长期稳定性不容忽视。
江苏福瑞思粉体科技有限公司总经理郝小勇先生曾在2017年中国锆铪年会上提到，他近期曾经亲自对河南省氧化锆全瓷牙齿的市场需求进行过实地调研，结论是仅仅一个河南省，一年氧化锆牙齿需求量市场就有1亿元，预测2020年后我国氧化锆义齿市场每年将超过20亿元。
2）氧化锆晶须牙科材料改性
由于金属底层的存在使金属烤瓷牙存在着难以克服的缺点，例如：金属离子的析出有潜在的致敏性，析出的金属离子可导致龈缘灰线影响美观，遮色层的存在阻止了光线透过使人工牙缺乏天然牙活力等。因此能够以高强度陶瓷材料取代底层金属冠，以达到最佳美学效果和生物相容性的全瓷修复已成为近年的研究热点和口腔修复的发展方向，并相继出现了IPS Impress热压铸陶瓷、In-Ceram系列粉浆涂塑渗透铝瓷等全瓷材料，近年又与先进的计算机辅助设计/计算机辅助制作（CAD/CAM）技术相结合研制出可机械加工的In-Ceram多孔铝瓷和普氏全瓷高铝瓷预成瓷块，大大推进了全瓷修复体在临床的应用。但由于陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价键，键结合牢固并有明显的方向性，室温下几乎不能产生滑移或位错运动，这种脆性本质限制了陶瓷材料的实际应用，克服其脆性、提高其韧性一直是材料学家们努力要解决的问题。传统的陶瓷增韧方法有相变增韧、纤维增韧、晶须及颗粒韧化等，自20世纪60年代人们解决了金瓷匹配问题后，以金属底层冠增强的金属熔附烤瓷牙（PFM）成为口腔临床最为常用的固定修复方式，陶瓷材料是最为理想的氧化锆增韧陶瓷作为一种新型精细陶瓷，具有良好的机械性能（断裂韧性、强度、硬度等）、生物相容性和稳定性、美观性、热导性和成形性，能很好解决常规全瓷冠材料强度和韧性不足的问题。其次，其作为一种优良的生物惰性陶瓷，无论是作为口腔修复体还是植入体均表现出优异的化学稳定性能，完全满足作为口腔修复材料的标准。
其中最为引人注目的材料之一是氧化锆相变增韧陶瓷，由于在应力作用下诱发四方相向单斜相的马氏体相变而使其断裂韧性大大提高，成为室温下韧性最好的陶瓷材料，故有“陶瓷钢”的美誉，而且其粉体还可以作为第二相颗粒添加到其他陶瓷基体中起到相变增韧作用。近年来氧化锆陶瓷优良的力学性能也引起了口腔医学家们的关注，成为引人注目的新型牙科材料。除了传统的增韧方法，近年来纳米科技的发展使新材料、新技术不断涌现，虽然一些金属或其混合材料以及有机高分子材料能够很大程度上满足牙科修复材料在性能方面的需求，但均有明显的不足。如金属及其合金不仅色泽很难达到美学要求，而且在口腔环境中易释放对身体有害的金属离子；高分子材料耐磨性较差，强度低等不能很好地满足牙科修复材料的要求。氧化锆因具有优异的机械性能、良好的生物相容性、优良的美学效果及稳定性，使得它在牙科修复领域应用有着无可比拟的优势，其中以氧化钇（Y2O3）稳定的四方氧化锆多晶陶瓷（Y-TZP）性能最佳。近年来，随着氧化锆陶瓷材料理论应用研究和氧化锆基功能材料的开发，ZrO2作为牙修复体在氧化锆增韧、着色及氧化锆基生物活性材料等方面取得了较大的进展。氧化锆因具良好的生物相容性、较高的强度、韧性以及美观效果，被广泛地用作牙科修复材料。随着科学技术的不断发展，氧化锆用于牙科修复材料的研究也有了较大的进展。氧化锆增韧、增强研究氧化锆陶瓷的强度、韧性等机械性能明显优于其他材料，并且它属于生物惰性陶瓷类材料，可广泛应用于单冠、单位桥，甚至后牙多单位桥的修复。由于陶瓷材料的致命弱点—脆性，阻碍了其进一步应用和发展，因此，改善陶瓷材料的脆性将仍是研究的热点，牙科氧化锆作为氧化铝烧结体及其玻璃复合体性能的添加剂，方法：加入50g/L部分稳定氧化锆及不加氧化锆的精细微米α-氧化铝粉经250 MPa冷等静压成型，分别在140℃和145℃下烧结，制成可供口腔CAD/CAM加工的可切削氧化铝，再通过125℃下4 h玻璃渗透，最终形成氧化铝玻璃复合体，并测试各组氧化铝及复合体的力学性能，观察其微观结构的差异。结果：添加氧化锆可明显提高部分烧结氧化铝的强度和韧性，但对氧化铝玻璃复合体的力学性能无明显改变。结论：添加氧化锆是提高可切削氧化铝烧结体性能的有效增韧方法。就牙科修复材料而言，可将氧化锆全瓷体系分为本文介绍的四大类型，它们都含有稳定的四方相，并通过马氏体相变增韧。差异包括使用不同的稳定剂去促使氧化锆生成稳定的四方相（Mg、Ce、Y等），以及不同的强化机制（纳米氧化铝增韧氧化锆、四方氧化锆增韧氧化铝、四方氧化锆弥散分布于立方氧化锆）、不同的微观结构（晶型、晶粒尺寸）。
晶须（纤维）增韧和粒子弥散增韧成为氧化锆增韧的主要研究方向，氧化锆相变增韧是利用相变特性来提高氧化锆材料的断裂韧性和抗弯强度，使其具有优良的力学性能，是提高氧化锆材料强度和韧性比较好的途径之一。但当晶须、纤维含量较高时，由于其拱桥效应而使致密化变得困难，从而引起密度的下降和性能下降。有文献报道氧化铝纤维对氧化锆陶瓷机械性能具有积极的作用，其通过裂纹偏转和桥联等机制，提高了氧化锆陶瓷的抗弯强度。弯曲强度在氧化铝纤维加入量等于5%时，氧化铝纤维复合的微米级3Y-ZrO2所制备的陶瓷的弯曲度的最大值可达到321.02 Mpa。所以利用氧化铝纤维增韧增强氧化锆陶瓷成为一种有效、经济、易行的方法。另外，陶瓷材料的机械性能还可以通过添加第二相颗粒得以提高，该颗粒能够阻止当基质材料被拉伸时发生的横向截面收缩。要想达到相同于基体的横向收缩，就必须加大纵向拉应力，这样就使材料消耗了更多的能量，起到增韧作用。近年来，氧化锆基树脂牙科复合材料研究也受到了极大的关注。有学者将钇稳定氧化锆与聚甲基丙烯酸甲酯混合制备氧化锆复合材料瓷块（PZC-70%）与日进齿科公司生产的商业瓷块作性能对比北京别墅装修，结果发现PZC-70%复合材料的弯曲强度、韧性和弹性模量均优于商业瓷块，并且PZC-70%表面切割后仍然保持光滑、尺寸不变。牙科氧化锆材料着色在牙科全瓷修复中，除了要考虑氧化锆材料的物理化学性能和生物相容性能外，还要考虑其美观。(https://www.daowen.com)
纳米级氧化锆颗粒更细，更光滑，不易附着菌斑，改善了美观程度，材质、颜色与周围自然牙齿组织接近，纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。当前纳米氧化锆及纳米氧化锆复合陶瓷已成为材料学界的研究热点，在全瓷冠修复材料（单冠、固定义齿）、种植材料、桩核材料等方面取得了长足发展，成为口腔医学领域的研究热点。
氧化钇稳定四方多晶氧化锆陶瓷是牙科全瓷修复的最常用的核心瓷材料，它的明度、饱和度、半透明性、遮色性等对其能否起到自然牙外观效果有着重要的影响。目前，氧化锆着色有两种常用方法，一种是将预烧结氧化锆浸入含有金属离子的染色液中渗透，然后烧结。另一种方法是在氧化锆粉体中添加着色氧化物，着色氧化物主要为过渡金属元素和稀土元素。有学者用三种白色、两种紫色和一种粉红色分别浸泡三种类型的四方多晶氧化锆预烧结块（Y-TZP）和一种四方多晶氧化锆/氧化铝。
黄桂林2004年对羟基磷灰石人工骨微粒植入牙槽窝的临床应用研究，方法：对31例患者拔牙后牙槽窝内即刻植入羟基磷灰石微粒人工骨，术后对患者拔牙创出血、干槽症、牙槽嵴高度等项进行观察并于术后、术后4周、12周复诊进行临床及X线片检查。结果显示：31例患者创口愈合良好，术后无出血、无干槽症发生，X线片见牙槽窝内羟基磷灰石存在，牙槽高度恢复良好。
宋文植2004年对牙科氧化锆纳米复合陶瓷的制备及性能研究，将纳米材料技术与口腔材料研究相结合，并将先进的放电等离子烧结技术（SPS）引入口腔材料研究，以期研制出高强度、高韧性，能满足口腔修复材料需求的纳米氧化锆复合陶瓷，并探讨其增强补韧机制，采用便于操作且反应条件易于控制的共沉淀法，以氧氯化锆、硝酸钇为原料，反向滴定制备钇稳定纳米氧化锆粉体，为防止反应过程中发生团聚，实验采用低表面张力的乙醇为反应溶剂，分别在低频超声波作用和无超声波作用下进行反应，经透射电镜观察，超声波作用下制备的前驱体分散性好于非超声波作用下制备的前驱体，说明低频超声波有较好的反团聚作用。
超声法制备的前驱体经600℃煅烧后得到粒径小、分散均匀的纳米ZrO2（3Y）粉体，经X射线衍射分析主要为四方相氧化，为应用新技术、新方法研制新型牙科陶瓷材料作出有益探索。实验具体内容包括：
（1）超声波作用下共沉淀法制备纳米ZrO2（3Y）粉体制备出粒度分布均匀、烧结性能良好的纳米粉体是得到较好力学性能的陶瓷材料的前提，本实验采用便于操作且反应条件易于控制的共沉淀法，以氧氯化锆、硝酸钇为原料，反向滴定制备钇稳定纳米氧化锆粉体，为防止反应过程中发生团聚，实验采用低表面张力的乙醇为反应溶剂，分别在低频超声波作用和无超声波作用下进行反应，经透射电镜观察，超声波作用下制备的前驱体分散性好于非超声波作用下制备的前驱体，说明低频超声波有较好的反团聚作用。超声法制备的前驱体经600℃煅烧后得到粒径小、分散均匀的纳米ZrO2（3Y）粉体，经X射线衍射分析主要为四方相氧化锆，并通过谢乐公式计算晶粒平均粒径为D101=15.58 nm，WP=94。
（2）超声波作用下化学沉淀法制备纳米Al2O3粉体，以硝酸铝为原料，乙醇为反应溶剂，低频超声波作用下制备纳米Al2O3粉体，前驱体经1200℃煅烧后，得到近似球形的分散性较好的纳米Al2O3粉体，晶粒平均粒径为31.44 nm。
（3）纳米氧化锆复合陶瓷的制备：①添加不同比例纳米氧化锆粉体的纳米复合陶瓷，将体积比为3%、5%、10%、15%、20%、30%的纳米ZrO2（3Y）粉体分别加入微米级氧化锆造粒粉中，球磨混匀，250 Mpa干压成型，对烧结后试样进行线收缩率、密度、表观气孔率、力学性能测试及XRD相结构分析和SEM观察，结果表明，加入3%、5%、10%ZrO2（3Y）纳米粉组三点弯曲强度和断裂韧性值与对照组（纯造粒粉陶瓷）相比均有统计学意义，其中添加10%纳米粉的陶瓷试样力学性能最好，其三点弯曲和断裂韧性值分别为（673.17±47.19）MPa和（9.01±0.82）MPa/m2；可以满足口腔修复材料要求；添加纳米粉超过20%时，力学性能反而下降，添加纳米粉达30%时，试样力学性能已明显低于对照组。②将体积比分别为3%、5%、10%、15%、20%、30%的纳米Al2O3粉体加入微米级氧化锆造粒粉中，球磨混匀，250 MPa干压成型，烧结后测试各组试样性能指标。结果表明，加入3%、5% Al2O3纳米粉组三点弯曲强度和断裂韧性值与对照组相比有统计学意义，其中添加5%纳米粉的陶瓷试样力学性能最好，其三点弯曲和断裂韧性值分别为（659.17±46.54）MPa和（8.55±0.89）MPa/m2，可以满足口腔修复材料要求；添加纳米粉超过20%时，试样力学性能反而下降。WP=95（4）放电等离子快速烧结牙科纳米ZrO2陶瓷及纳米Al2O3-ZrO2（3Y）复合陶瓷是分别将纯纳米ZrO2粉体和以50%比例混匀的纳米Al2O3-ZrO2（3Y）复合粉体，应用先进的SPS技术快速烧结，得到的纯纳米ZrO2陶瓷试样开裂，X射线衍射分析表明试样中基本为m-ZrO2，说明其中的稳定剂Y2O3被模具中的碳还原而失去作用；纳米Al2O3-ZrO2（3Y）复合陶瓷试样未开裂；F·霍曼和M·德威尔德（2008）公开了具有由陶瓷材料制成的表面的牙科植入物，牙科植入物的特征是表面具有由小于1μm的核心剖面深度Sk限定的表面形貌。
沈志坚2017年的发明公开了一种具有生物活性的氧化锆义齿，具有梯度结构，自咬合外表面至粘接内表面依次包括具有生物活性的外表面层、基体结构层，具有生物活性的外表面层由外侧的纳米孔层和内侧的微米孔层构成，微米孔层由氧化锆纳米晶粒及若干贯穿微米孔层的微米孔组成，基体结构层由外侧致密的氧化锆纳米晶粒层及内侧致密的氧化锆微米晶粒层组成，纳米孔层与微米孔层之间的界面形成均匀梯度过渡，微米孔层与基体结构层外侧致密的氧化锆纳米晶粒层之间的界面形成均匀梯度过渡。本发明具有高强度，高韧性，低摩擦系数，对合牙低磨耗，良好的生物相容性以及生物活性的优点。
周锐2017年发明公开了一种制造氧化锆陶瓷义齿的方法，包括以下步骤：①使用标准坯体模，将用于制作义齿的氧化锆陶瓷喂料注射成型为比待制造义齿更大的标准生坯。②对生坯进行预烧结制得预烧坯，脱出至少部分黏结剂。③将预烧坯加工成待制造义齿的形状，且加工后的产品尺寸为待制造义齿等比例放大的尺寸。④以高于步骤②的预烧结温度的温度对加工后的产品进行高温烧结，使其相对于所述预烧坯进一步致密化而收缩成待制造义齿的尺寸。⑤对进一步致密化后的产品进行研磨抛光得到义齿，本技术降低了义齿生产的工艺成本的同时也提高了产品良率。
陈桦2017年的专利公开了一种氧化锆陶瓷义齿的制作方法，包括制作义齿模具，将氧化锆陶瓷粉末装填至义齿模具中，然后将义齿模具置于等静压机中进行等静压成型，获得义齿齿坯，然后将义齿齿坯放入烧结炉中烧结，得到氧化锆陶瓷义齿。
上述技术方案中采用等静压成型的方法制取氧化锆陶瓷义齿，加工过程无须任何刀具、夹具，生产设备成本低，加工工艺简单，材料浪费少，可同时制取多颗义齿；在一种陶瓷基质中加入另一种陶瓷材料，通过复合后可以得到单一材料所不具备的新性能。在纳米氧化锆基体中添加适量的纳米级氧化铝可以明显提高力学性能和抗疲劳性能。纳米级的氧化铝颗粒分布于氧化锆晶粒中，同时纳米级的氧化锆颗粒分布于氧化铝晶粒中，形成了相互弥散的晶间、晶内复合纳米结构，正是这一结构特点决定了含适量氧化铝的氧化锆复合陶瓷的力学性能优于传统的氧化钇稳定的四方相氧化锆多晶（Y-TZP）陶瓷材料。少量的氧化铝有助于氧化锆陶瓷的致密化烧结，并形成微晶粒结构，氧化铝加入Y-TZP中可以提高陶瓷的断裂韧性，抑制Y-TZP的相变并提高陶瓷的抗疲劳性能。因此，含氧化铝的Y-TZP具有较高的抗磨损性及抗疲劳性能，主要应用于人工生物植入材料中，近年也开始应用于口腔冠桥修复材料中。目前，开发的氧化锆与氧化铝纳米复合陶瓷含有体积百分比为30%的氧化铝颗粒。在低温水环境及各种处理条件下，纳米氧化锆与氧化铝复合陶瓷的力学性能均较稳定，能够满足在口腔环境下临床应用的要求；玻璃渗透氧化锆增韧氧化铝陶瓷，是将四方相氧化锆作为增韧相分散到氧化铝基体中，可以形成氧化锆增韧氧化铝陶瓷，代表性的产品是In-Ceram Zirconia，它在玻璃渗透陶瓷In-CeramAlumina中加入了质量分数为33%的铈稳定氧化锆，制作工艺可以采用粉浆涂塑或机械加工成型，在1100℃下2小时预烧结，形成多孔坯体，采用生物微晶玻璃渗透具有亚微米级孔隙的氧化铝与氧化锆预烧基体，形成氧化铝与氧化锆骨架纳米微晶玻璃薄膜相互锁结的均匀一致的复合体。主要增韧机制包括氧化锆晶粒的应力诱导相变增韧，以及玻璃相与氧化铝/氧化锆基体之间热膨胀系数的差异在复合体内部引入的微观压应力。因复合体含有一定的孔隙，In-CeramZirconia的机械性能低于四方相氧化锆陶瓷，但氧化铈稳定四方氧化锆多晶（Ce-TZP）具有较高的热稳定性，在相同的热循环和老化条件下比四方相氧化锆陶瓷的抗疲劳性能高；部分稳定氧化锆（Mg-PSZ）的微观组成是四方相氧化锆弥散分布于立方相氧化锆基体中，氧化镁的含量为8%～10%（质量分数）。尽管对部分稳定氧化锆的齿科应用进行了大量的研究，但这一材料存在孔隙且含有较大的晶粒（30～60μm），导致抗磨损性较差，限制了其应用。在制作工艺中，除需较高的烧结温度1680～1800℃外，冷却过程需要严格控制，特别是在1100℃相转变温度时，其机械性能不高且不稳定。产品体系主要有Denzir-M（Dentronic AB），瓷块采用热等静压成型，之后采用直接机械加工成底冠。