SLA聯合HIP加工牙科氧化陶瓷材料的實驗研究

朱華杰 王佳琴 周怡 沈璐 潘海燕 劉嘯晨，（通訊作者）

（1 杭州雨田口腔診所 浙江 杭州 310000）

（2 浙江大學醫學院附屬口腔醫院 浙江 杭州 310000）

（3 樹蘭（杭州）醫院 浙江 杭州 310000）

牙科氧化鋯具有高強度、高韌性和高耐磨性，但這也導致其加工困難。目前氧化鋯的加工方式為CAD/CAM，制作過程復雜，耗時耗材且不能加工精細結構[1]。立體光固化成型法（Stereo lithography Appearance，SLA）是一種3D打印技術，將計算機設計的三維模型離散形成薄片，應用激光聚焦固化，對含感光樹脂的原料進行分層制造，其優點在于可以加工精細復雜的結構，減少材料和時間的浪費[2]。本研究將3mol釔穩定的二氧化鋯（3mol yttrium stabilized zirconia，3YSZ）粉末添加至液態感光樹脂中，應用SLA成型及熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）燒結，對制品的內部結構和力學性能進行了測量和評價。

1.材料和方法

將粒徑為0.5μm的3YSZ粉末、XC11122感光液態樹脂及分散劑檸檬酸（0.32wt%）進行24h球磨混合，形成懸浮液，3YSZ含量分別是20vol%、30vol%、40vol%、50vol%和60vol%。在激光束直徑為0.06mm，層厚度為0.07mm，y分辨率為0.1mm的參數下應用SLA打印機進行打印。應用真空燒結和HIP對生胚進行后處理，燒結程序均為以600℃/h升溫至1530℃，保持4小時，之后以600℃/h降溫至300℃，隨后冷卻至室溫。HIP燒結過程中氣壓保持在100Mpa。將燒結所得試件打磨成20mm*3mm*4mm，進行三點彎曲強度測試，采用widowes專用SPSS10.0統計軟件對實驗數據進行t檢驗（α=0.05）。對試件內部結構和晶相應用SEM和XRD進行檢測。

2.結果與討論

2.1 不同體積含量3YSZ的成形情況

當3YSZ含量為20vol%和30vol%時，SLA可成型生胚，但經高溫燒結后分別出現材料坍塌和分層的現象；當3YSZ含量上升到40vol%和50vol%時，生胚經過高溫燒結后可獲得致密化試件；當3YSZ含量上升到60vol%時，SLA無法成型生胚。

2.2 原料中3YSZ固相含量及HIP對試件力學性能的影響

對3YSZ含量為40vol%和50vol%的試件進行真空高溫燒結后進行三點彎曲強度比較，50vol%組明顯高于40vol%組（如表，P=0.004651），說明原料中固相含量對試件的力學性能有較大影響；分別應用真空高溫燒結和HIP對50vol%組生胚進行燒結，發現HIP顯著提高了試件的三點彎曲強度（如表，P=0.004623），達到500MPa以上，說明后處理工藝對試件的力學性能有一定的影響。

表 2YSZ試件經燒結后三點彎曲強度

2.3 SLA聯合HIP加工的牙科3YSZ燒結試件的內部結構檢測

XRD的實驗結果顯示3YSZ含量為50vol%經HIP處理的試件內部晶相結構為四方相氧化鋯，說明SLA及HIP處理未改變3YSZ的晶相結構，且有機物在燒結過程中揮發完全。對試件斷裂面的掃描電鏡觀察分析顯示50vol%3YSZ試件燒結前后內部結構發生了顯著改變，燒結前3YSZ顆粒較小，分布均為，未見明顯晶粒，燒結后氣孔減少，晶粒變大且比較均勻，說明SLA聯合HIP可以得到結構致密、晶相穩定、力學性能優良的氧化鋯材料。

3.結論

應用SLA 3D打印聯合HIP后處理，可加工生產純度較高、內部結構較均勻、力學性能較好的3YSZ試件，初步達到牙科材料的基本要求。