基于氧化锆添加的牛源羟基磷灰石配方在配方特异性烧结下的抗弯强度筛选与酸挑战响应研究

《Frontiers in Dental Medicine》：Flexural-strength screening and acid-challenge response of bovine hydroxyapatite formulations with zirconia-based additions under formulation-specific sintering

　　

摘要 羟基磷灰石基（HA）生物陶瓷在牙科生物材料开发中具有吸引力，但其力学和化学局限性仍是挑战。本研究通过三点抗弯强度筛选了含氧化锆添加物的牛源HA配方-工艺路线，并在酸性挑战后评估了力学优选路线的化学溶解性、维氏硬度和定性表面形貌。在第一阶段，纯HA及含1、5或10 wt% 3Y-TZP或探索性标称ZrO2晶须合成产物的HA在配方特异性烧结制度下进行评估。总体抗弯强度差异显著（p?<?0.001）。HA?+?1 wt% 3Y-TZP显示出最高观测中位数[117.0 (94.8, 122.0) MPa]，尽管其与纯HA [84.0 (77.0, 88.0) MPa]的两两比较未达到显著性（DSCF p?=?0.095）。在第二阶段，纯HA的总化学溶解性为2,112.5 μg/cm2，HA?+?1 wt% 3Y-TZP为2,057.0 μg/cm2；两者均超过ISO 6872:2024第2–4类覆盖基底陶瓷适用的<2,000 μg/cm2限值，而整体陶瓷则受更严格的<100 μg/cm2限值约束。HA?+?1 wt% 3Y-TZP在测试前（435.9?±?26.4 vs. 217.0?±?5.6 HV0.3）和测试后（426.9?±?38.9 vs. 196.7?±?10.5 HV0.3；Bonferroni校正p?<?0.001）均表现出比纯HA更高的维氏硬度。纯HA在路线内出现?20.3 HV0.3的下降（95% CI: ?33.1至?7.5；校正p?=?0.048），而优选路线变化为?9.0 HV0.3（95% CI: ?44.3至26.4；校正p?=?1.000）。变化值的直接比较不显著（差值，?11.3 HV0.3；95% CI: ?46.7至24.1；校正p?=?1.000），因此未证明对酸性挑战存在差异性硬度抵抗。由于组成和热历史未被独立控制，研究结果应解释为路线级筛选，而非孤立的氧化锆效应或临床验证。

一、研究背景与问题提出

羟基磷灰石基（HA）生物陶瓷因其组成与骨和牙体硬组织矿物相高度相似，在生物医学和牙科材料研究中占据核心地位。然而，致密HA陶瓷存在显著力学局限，包括脆性高、抗断裂能力低，以及对孔隙率、晶粒生长、致密化和相稳定性高度敏感。这些缺陷限制了致密HA在力学要求苛刻场景中的应用，推动了增强型HA基复合材料体系的开发需求。

天然来源HA作为替代路径受到关注。动物骨骼是富含磷酸钙的副产品，可加工为羟基磷灰石来源，为富矿物质生物质提供了材料回收途径。研究团队前期已建立了从牛骨获得HA纳米粉体和致密HA基生物陶瓷的热化学与机械化学路线。基于同一批次起始粉末，Azevedo-Silva等评估了含0、1、5或10 wt% 3Y-TZP的牛源HA在三种烧结曲线下的表现，确定纯HA的1,300°C常规烧结及含3Y-TZP配方的两步烧结（最高1,420°C）为最优组成特异性加工路线。XRD显示纯HA和HA?+?1 wt% 3Y-TZP具有特征HA反射，而5和10 wt% 3Y-TZP时检测到HA分解为β-TCP及锆酸钙生成。Pereira等随后将ISO 6872化学溶解性和前后硬度工作流程应用于TiO₂改性牛源HA，识别出化学耐久性为持续存在的局限。

氧化锆是牙科领域广泛使用的结构生物陶瓷，具有高力学强度、化学稳定性、生物相容性和相变增韧潜力。钇稳定四方氧化锆多晶（Y-TZP）因高抗弯强度和抗断裂性能用于多种牙科应用，但相稳定性和低温退化仍是重要考量。在HA基复合材料中，氧化锆可能作为增强相，但该效应不一定是线性或浓度依赖性的。HA–氧化锆体系对高温加工敏感，既往研究报道氧化锆添加可能影响HA分解、二次相形成、孔隙率和致密化，具体取决于组成和烧结条件。

除颗粒增强外，晶须策略也被研究用于通过裂纹偏转、裂纹桥接和拔出效应改善脆性陶瓷的断裂行为。这些机制需要验证晶须形貌、合适的长径比和分散性以及适当的界面结合。本研究中的熔盐合成产物按已发表的氧化锆晶须路线制备，但其相和长径比未独立表征，故称为标称ZrO₂晶须合成产物。

本研究的逻辑是使用新制造试样和不同的序贯筛选策略扩展前期组成-烧结优化工作：首先，通过ISO棒状几何的三点抗弯强度对含3Y-TZP或探索性标称W-ZrO₂合成产物的牛源HA配方-工艺路线进行排序；其次，对力学优选路线和纯HA路线在标准化酸性挑战前后的化学溶解性进行描述性表征并比较维氏硬度。研究不旨在确定相组成、量化微观结构或测量断裂韧性。零假设为测试的配方-工艺组在抗弯强度上无差异，且优选路线与纯HA路线在维氏硬度上无差异。化学溶解性按描述性处理，因为每组贡献一个联合称重的11盘片重量法数据集。

二、研究内容与结论

本研究设计为两阶段体外研究。第一阶段对七组进行三点抗弯强度筛选：纯HA；HA?+?1、5或10 wt% 3Y-TZP；以及HA?+?1、5或10 wt%标称ZrO₂晶须合成产物。第二阶段将最高观测中位数抗弯强度的路线与纯HA路线在化学溶解性和维氏硬度（化学溶解性测试前后）方面进行比较。SEM仅用于代表性表面区域的定性描述。

抗弯强度筛选显示配方-工艺组间存在显著差异（Kruskal–Wallis，p?<?0.001）。HA?+?1 wt% 3Y-TZP显示最高观测中位数[117.0 (94.8, 122.0) MPa]，但与纯HA[84.0 (77.0, 88.0) MPa]的两两比较未达统计显著性（DSCF p?=?0.095）。优选路线与其余含锆路线差异显著（p?≤?0.008）。HA?+?5 wt% 3Y-TZP显示中间中位数[63.7 (49.8, 80.3) MPa]，与纯HA及含1和5 wt%标称W-ZrO₂产物的组统计相似。1和5 wt%标称W-ZrO₂组分别为61.5 (60.8, 62.8)和57.7 (51.8, 60.1) MPa。最低值出现在HA?+?10 wt% 3Y-TZP[24.8 (23.7, 26.7) MPa]和HA?+?10 wt%标称W-ZrO₂产物[27.8 (25.9, 28.7) MPa]，这两组统计相似且低于其余各组。

化学溶解性方面，纯HA的11盘片组总表面积为34.935 cm²，HA?+?1 wt% 3Y-TZP为31.016 cm²，均超过ISO 6872:2024最低总表面积30 cm²要求，但后者仅略超。总质量损失分别为73.8和63.8 mg，化学溶解性分别为纯HA 2,112.5 μg/cm²和HA?+?1 wt% 3Y-TZP 2,057.0 μg/cm²。含锆路线显示低55.5 μg/cm²（2.6%）的描述性值。两者均超过ISO 6872:2024对第2–4类完全或部分覆盖基底陶瓷规定的<2,000 μg/cm²最高化学溶解性限值；第1–5类整体陶瓷则受更严格的<100 μg/cm²限值约束。未进行推断性组间比较。

维氏硬度方面，HA?+?1 wt% 3Y-TZP在挑战前（435.9?±?26.4 vs. 217.0?±?5.6 HV0.3）和挑战后（426.9?±?38.9 vs. 196.7?±?10.5 HV0.3）均显著高于纯HA（校正p?<?0.001）。纯HA在酸性挑战后硬度平均下降20.3 HV0.3（95% CI: ?33.1至?7.5；校正p?=?0.048），HA?+?1 wt% 3Y-TZP平均变化为?9.0 HV0.3（95% CI: ?44.3至26.4；校正p?=?1.000）。变化值的直接组间比较不显著（差值，?11.3 HV0.3；95% CI: ?46.7至24.1；校正p?=?1.000），因此未证明对酸性挑战存在差异性硬度响应。

SEM定性观察显示，纯HA表面不规则且可见孔隙样特征，HA?+?1 wt% 3Y-TZP表面不规则性较不明显。挑战后，纯HA显示不规则表面和暴露的晶粒样特征，HA?+?1 wt% 3Y-TZP表面视觉上更连续。这些仅为定性描述，不构成孔隙率、粗糙度、晶粒尺寸或降解程度的定量测量。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：三点抗弯强度测试（依据ISO 6872:2024，使用万能力学试验机，10个棒状试样/组，跨距15.0 mm，压头速度0.5 mm/min）；ISO 6872:2024化学溶解性测试（每组11个盘片联合称重为一个重量法数据集，浸入100 mL 4%乙酸溶液，80?±?2°C保持16 h）；维氏硬度测试（依据ISO 14705:2016原则，300 gf载荷15 s，每试样5次压痕取均值，每组6个试样）；以及扫描电子显微镜（SEM）定性形貌观察。牛源HA粉末通过热化学处理（过氧化氢处理、900°C煅烧24 h）和机械化学纳米化（球磨48 h后振动磨72 h）获得。3Y-TZP（TZ-3YSB-E，Tosoh公司）或标称W-ZrO₂合成产物按1、5或10 wt%标称浓度加入HA纳米粉体，经24 h振动磨均化后，单轴100 MPa和等静压200 MPa压制，纯HA采用1,300°C一步烧结，含锆配方采用1,420°C两步烧结（950°C保温20 h）。

四、讨论与结论

本研究的主要设计局限是热历史不相等。烧结制度并非临时选择：前期优化支持纯HA的1,300°C一步烧结和含3Y-TZP HA的两步1,420°C路线。然而，本实验不能证明热历史影响了每个测量结果。由于烧结条件可影响与抗弯强度、硬度和溶解行为相关的相组成和微观结构特征，热历史是这些路线级比较中可能的混杂来源，其大小和方向无法从当前设计确定。前期优化证明了路线选择合理性，但不能替代同制度桥接对照，因此不应用因果语言将当前差异具体归因于组成或加工。

抗弯强度的非线性排序在经验上清晰，前期研究提供了直接相关的系统特异性相证据。在同一起始粉末批次和相同标称组成-加工框架内烧结的试样中，XRD显示纯HA和HA?+?1 wt% 3Y-TZP具有特征HA反射，而5和10 wt% 3Y-TZP时检测到HA分解为β-TCP和锆酸钙生成。这些发现为解释当前排序提供了比无关HA-氧化锆系统证据更强的基础。然而，当前评估的试样为新制造，未进行XRD/Rietveld分析，前期相数据仅作为背景证据。

相对密度、开孔孔隙率和孔径分布未测量。脆性陶瓷的抗弯强度对缺陷群体敏感，但观察到的排序不能归因于致密化、残余孔隙率、堆积异质性或晶粒尺寸而无直接测量。5和10 wt% 3Y-TZP时较低强度应描述为测试路线下的关联，而非特定缺陷产生机制的证据。

SEM显示起始添加物存在定性形貌差异。3Y-TZP图像显示颗粒状团聚体而非分辨的一次纳米颗粒，标称W-ZrO₂产物同时含针状特征和块状/等轴颗粒，表明形貌异质性。SEM本身不能确定化学或结晶相身份。前驱体用量对应P:Zr摩尔比约0.85，因此不能仅从形貌排除含磷酸盐锆相或残留盐衍生产物。添加物在额外24 h振动均化步骤前成像，均化后形貌未重新评估，起始形貌在生坯或烧结体中是否保持不能假定。这些组的抗弯强度结果仅解释为探索性合成和加工路线结果，而非验证的晶须增强或晶须增韧证据。

化学溶解性方面，纯HA为2,112.5 μg/cm²，HA?+?1 wt% 3Y-TZP为2,057.0 μg/cm²，描述性差异为55.5 μg/cm²（2.6%）。两组均满足ISO最低总表面积30 cm²要求，但HA?+?1 wt% 3Y-TZP组仅略超（31.016 cm²）。路线间烧结后/测试前几何不同：纯HA每盘片平均表面积为3.176 cm²，HA?+?1 wt% 3Y-TZP为2.820 cm²，优选路线低约11.2%。试样几何可影响ISO化学溶解性测试的结果和可重复性。因此，2.6%的小差异仅作描述性呈现，不应解释为优选路线固有降低溶解性的证据。每组盘片联合称重形成单一重量法单位而非独立重复，故未进行推断性比较。

硬度重分析保留每个盘片为实验单位，使用每试样五次压痕均值。纯HA显示路线内下降?20.3 HV0.3（校正p?=?0.048），HA?+?1 wt% 3Y-TZP变化为?9.0 HV0.3（校正p?=?1.000）。关键的是，变化值的直接比较不显著（差值，?11.3 HV0.3；校正p?=?1.000）。因此，两个独立路线内测试的不同显著性结果不能证明优选路线对酸性挑战更抵抗。HA?+?1 wt% 3Y-TZP在两个时间点均比纯HA更硬，但这代表硬度水平的差异，而非酸性暴露下差异性硬度响应的证据。抗弯强度和硬度不测量断裂韧性，也不证明相变增韧，且未测量校准的径向裂纹长度。

研究结论：在测试的配方-工艺路线中，HA?+?1 wt% 3Y-TZP显示最高观测三点抗弯强度中位数，但其与纯HA的两两比较不显著（DSCF p?=?0.095）。优选路线在酸性挑战前后均显示比纯HA更高的HV0.3，但前后硬度变化的直接比较不显著（差值，?11.3 HV0.3；95% CI: ?46.7至24.1；校正p?=?1.000）。因此，当前数据未证明对酸性挑战存在差异性硬度响应。描述性化学溶解性为纯HA 2,112.5 μg/cm²和HA?+?1 wt% 3Y-TZP 2,057.0 μg/cm²；两者均超过ISO 6872:2024第2–4类覆盖基底陶瓷适用的<2,000 μg/cm²限值，也超过整体陶瓷更严格的<100 μg/cm²限值。由于溶解性组在烧结后几何上不同且每组贡献一个聚合重量法观测，2.6%差异不应解释为化学耐久性改善的证据。HA?+?1 wt% 3Y-TZP配方-工艺路线应视为实验筛选候选。标称W-ZrO₂路线仍为探索性，因为相身份和均化后形貌未验证。由于未包含共同制度桥接对照，差异不能独立于热历史归因于3Y-TZP。进一步应用特异性开发需要受控的相、密度、微观结构、力学、化学和生物学表征。