综述：用于牙科应用的玻璃陶瓷及玻璃陶瓷/氧化锆复合材料：合成、制备与性能表征

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Glass-ceramics and glass-ceramic/zirconia composites for dental applications: Synthesis, fabrication and characterization

本研究开发了CaO–MgO–SiO?基玻璃陶瓷及其3Y-TZP复合材料，通过添加Al?O?和调控热处理工艺，优化了机械性能与摩擦学行为，满足ISO 6872标准，适用于固定全瓷修复体。

　　

康斯坦丁诺斯·迪米特里亚迪斯（Konstantinos Dimitriadis）|克里斯蒂娜·焦蒂（Christina Gioti）|马里奥斯·康斯坦丁努（Marios Constantinou）|伊利亚斯·乔治奥普洛斯（Ilias Georgiopoulos）|乔治奥斯·康斯坦丁尼德斯（Georgios Constantinides）|康斯坦蒂娜-迪亚·安德烈乌利（Constantina-Dia Andreouli）|迈克尔·A·卡拉卡西德斯（Michael A. Karakassides）|西蒙·阿加托普洛斯（Simeon Agathopoulos）

材料工业研究与技术中心（Materials Industrial Research and Technology Center S.A.），雅典-拉米亚国家公路76公里处，邮政信箱150，32009，希腊斯希马塔里（Schimatari）

摘要

本研究报道了基于CaO–MgO–SiO₂的玻璃陶瓷（GCs）和GC/3Y-TZP复合材料的开发，这些材料旨在满足全陶瓷固定修复体的综合机械性能、摩擦学性能和加工要求。通过控制添加Al₂O₃和3摩尔%的氧化钇稳定的四方氧化锆（3Y-TZP）来修改玻璃成分，并根据热分析结果确定了适当的热处理方案。最终获得了致密、结合良好的微观结构，且残余孔隙率较低，同时Zr富集颗粒在玻璃陶瓷基体中均匀分布。相分析显示，根据成分的不同，形成了透辉石和硅灰石或α-钾镁硅酸盐，以及氧化锆和氧化钇。加入3Y-TZP显著提高了材料的抗弯强度、弹性模量、硬度和断裂韧性，且未对动态摩擦产生不利影响。所有材料均符合ISO 6872标准，并展现出与牙齿硬组织相当的性能，突显了其在牙科修复应用中的潜力。

引言

玻璃陶瓷（GCs）在生物医学领域得到了广泛应用，尤其是在牙科领域，作为全陶瓷修复体的理想材料[[1], [2], [3]]。在迄今为止研究的各种硅酸盐体系中，CaO–MgO–SiO₂体系因其原材料丰富、成本低廉、加工相对简单、性能优异以及应用范围广泛而备受关注[4]。在该体系下，开发出了许多具有良好机械、化学和生物特性的玻璃陶瓷。特别是基于透辉石的成分，由于其在强度、化学稳定性和生物相容性方面的平衡特性，引起了牙科应用的极大兴趣[[5], [6], [7]]。尽管这些材料具有潜力，但对其机械行为的全面表征仍然有限，尤其是在弹性模量、断裂韧性和显微硬度等对牙科应用至关重要的性能方面[4,8]。这一差距凸显了进一步研究以优化用于全陶瓷固定修复体的透辉石基玻璃陶瓷的必要性。

为了提高玻璃陶瓷的性能，研究主要集中在成分改进上，包括添加各种氧化物或氟化物[9]。这些策略通常涉及用选定的氧化物（如Al₂O₃、Li₂O、B₂O₃、TiO₂）改变基础玻璃成分，然后进行控制热处理，或者用掺有适量（通常为3摩尔%）氧化钇（Y₂O₃）的氧化锆（ZrO₂）等生物相增强玻璃粉体，形成GC/Y-TZP复合材料[[9], [10], [11]]。添加Al₂O₃和Y-TZP主要是为了提高机械强度和化学稳定性；然而，其类型、浓度及其与玻璃基体的相互作用必须仔细优化，以实现性能的平衡。

全陶瓷牙科修复体的临床性能不仅取决于材料成分，还取决于其与天然牙组织的功能性兼容性。这些修复体旨在恢复受损的牙冠，替代牙釉质和牙本质的结构和美学功能，同时恢复正常的口腔功能[13,14]。为全陶瓷固定修复体设计材料需要解决几个关键挑战：(i) 根据ISO 6872标准实现适当的抗弯强度[15]；(ii) 确保其他机械性能与天然牙齿相当，以便与相邻和组织和谐互动而不造成损伤[16]；(iii) 保持接近牙釉质的动态摩擦系数，以防止对对颌牙齿的过度磨损[17,18]；(iv) 为传统和CAD/CAM制造方法提供足够的可加工性，特别是考虑到陶瓷本身的脆性[[19], [20], [21]]。

为应对这些挑战，本研究重点开发了基于CaO–MgO–SiO₂的玻璃陶瓷和GC/3Y-TZP复合材料，以满足机械、摩擦学和加工要求。通过控制添加Al₂O₃和3摩尔%的氧化钇稳定的四方氧化锆（3Y-TZP）来改进先前报道的玻璃陶瓷配方[22]，旨在优化其强度、摩擦行为和加工性能。所得材料在微观结构、机械性能和动态摩擦响应方面进行了系统评估，以评估其在全陶瓷牙科修复体中的应用潜力。本研究选择了成分1e、1e-k和1e-m。根据之前的研究结果[22]，这些玻璃陶瓷具有致密且烧结结晶的微观结构，这归因于在结晶开始前完成了烧结过程。尽管报告的抗弯强度（107–141 MPa）、弹性模量（26–31 GPa）、硬度（5.4–6.0 GPa）和断裂韧性（1.8–1.9 MPa·m^0.5）[22]令人鼓舞，但这些材料仍需进一步改进才能可靠地用于牙科修复。因此，这些成分被选为进一步修改和系统研究的候选材料，以优化其在牙科修复中的应用性能。

实验方法

在本研究中，通过向基础玻璃配方1e、1e-k和1e-m[22]中添加3.40 wt%的Al₂O₃，开发了三种改性的玻璃成分。随后将这些含Al₂O₃的玻璃与25 wt%的3Y-TZP粉末（3摩尔%氧化钇稳定的氧化锆）结合，制备了相应的GC/3Y-TZP复合材料。含有Al₂O₃的玻璃分别标记为1e/Al、1e-k/Al和1e-m/Al，其中后缀“Al”表示含有Al₂O₃。详细的玻璃成分（重量百分比）如下

结果

表1中列出了合成玻璃成分的热行为，图1展示了这些玻璃的烧结和结晶特性。通过热分析研究了玻璃的烧结和结晶过程，从而确定了生产本研究中研究的玻璃陶瓷和GC/3Y-TZP复合材料的适当热处理方案。与玻璃转变相关的特征温度（T_g，表现为吸热峰）表明了...

讨论

在本研究中，对原始玻璃成分1e、1e-k和1e-m[22]进行了修改，以开发更适合牙科全陶瓷应用的新玻璃陶瓷和GC/3Y-TZP复合材料。所得的玻璃陶瓷和GC/3Y-TZP复合材料质量高，具有致密、结晶良好的微观结构和均匀的白色外观（图3C），表明成分和热处理条件得到了有效控制。

结论

研究表明，添加3.40 wt%的Al₂O₃和25 wt%的3Y-TZP是一种有效的策略，可以提升基于CaO–MgO–SiO₂的玻璃陶瓷的机械性能，满足全陶瓷固定修复体的关键要求。具体而言：

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开发的玻璃陶瓷和GC/3Y-TZP复合材料达到了ISO 6872标准要求的抗弯强度；添加25 wt%的3Y-TZP提高了韦伯模量，表明其结构可靠性得到改善，适用于临床应用。

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作者贡献声明

康斯坦丁诺斯·迪米特里亚迪斯（Konstantinos Dimitriadis）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。克里斯蒂娜·焦蒂（Christina Gioti）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、监督、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。马里奥斯·康斯坦丁努（Marios Constantinou）：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、实验研究、数据分析、

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。