β-锂辉石掺杂二硅酸锂玻璃陶瓷的增材制造及其在牙科修复中的增强性能研究

针对二硅酸锂玻璃陶瓷(LDGCs)断裂韧性不足及传统铣削工艺效率低下的问题，本研究通过增材制造技术制备β-锂辉石掺杂LDGCs，系统评估了不同掺杂比例(0-20 wt%)对材料性能的影响。结果表明，2.5 wt%掺杂量可使韧性提升至3.4±0.2 MPa·m1/2，同时保持优异成型精度，为牙科修复材料提供了新型优化方案。

　　

随着全球牙科修复市场在2024年达到45.5亿美元规模，对兼具美学与力学性能的材料需求激增。二硅酸锂玻璃陶瓷(LDGCs)虽占据市场主导地位，但其在承受高咀嚼力时韧性不足，且传统计算机数控铣削工艺存在材料浪费、设计局限等问题。更棘手的是，现有增强材料如氧化锆增强LDGCs(ZLS)虽能通过相变增韧机制提升性能，却因加工性能受限难以普及。与此同时，增材制造(AM)技术为复杂结构陶瓷制备带来新机遇，但粉末烧结导致的微观结构不均和高孔隙率仍是技术瓶颈。

针对这些挑战，温州医科大学等机构的研究团队创新性地将β-锂辉石(Li₂O·Al₂O₃·4SiO₂)引入LDGCs体系，采用数字光处理(DLP)技术实现材料制备。该研究通过固相反应烧结合成β-锂辉石粉末，将其以0-20 wt%梯度掺杂至基础玻璃粉体，经旋转脱泡制备光固化浆料后，通过DLP打印和热处理获得最终样品。研究团队综合运用热重-差示扫描量热(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等技术，系统评估了材料的热行为、相组成和微观结构演变规律。

关键发现：

1. 粉末与浆料特性：β-锂辉石粉末呈6.5 μm窄分布特征，与基础玻璃粉(7.4 μm)混合后形成光固化性能良好的浆料，粘度控制在2.5 Pa·s以下，满足DLP打印要求。

2. 热行为调控：β-锂辉石掺杂使混合粉末熔化温度(T_m)降低约30°C，热膨胀系数(CTE)从15.2×10^-6/K降至13.8×10^-6/K，显著改善烧结致密化过程。

3. 力学性能峰值：2.5 wt%掺杂样品展现最佳综合性能，断裂韧性达3.4±0.2 MPa·m^1/2，较未掺杂组提升28%，归因于β-锂辉石二次相增韧机制；但过量掺杂(>5 wt%)会因晶界弱化导致性能下降。

4. 微观结构演变：随着掺杂量增加，二硅酸锂晶体尺寸从3.2 μm减小至1.8 μm，β-锂辉石促进晶粒细化并形成互锁结构，5 wt%组孔隙率最低(2.1%)。

5. 成型精度优势：所有掺杂组别均保持±25 μm的尺寸偏差，满足牙科修复体精度要求，DLP打印的悬臂梁结构完整度达98%。

这项发表于《Journal of Materials Science》的研究具有双重突破意义：在科学层面，首次阐明β-锂辉石通过降低熔体粘度、促进晶界滑移和裂纹偏转的协同增韧机制；在应用层面，开发的2.5 wt%掺杂材料兼具优异力学性能(硬度5.8 GPa，弯曲强度420 MPa)和临床可加工性，为个性化牙冠、桥体等修复体制造提供新选择。研究团队特别指出，该技术路线可通过调整光固化参数适配不同解剖形态需求，未来或可拓展至骨植入物领域。值得注意的是，β-锂辉石的低CTE特性还有助于减少修复体在烧结过程中的尺寸畸变，这对多单元修复体的精确匹配尤为重要。