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济南大学张凡/王高琦等：复合粉末设计策略实现高强度抗菌牙科玻璃陶瓷的高精度光固化3D打印精选

已有 507 次阅读 2026-3-20 10:32 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhang F, Zhang Y, Kang J, et al. Composite powder design strategy enabling vat photopolymerization 3D printing of lithium disilicate glass-ceramics with high precision, strength, and antibacterial properties. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221253

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221253

ResearchGate：Composite powder design strategy enabling vat photopolymerization 3D printing of lithium disilicate glass-ceramics with high precision, strength, and antibacterial properties

1、导读

硅酸锂玻璃陶瓷因半透明性、高强度、生物相容性优异被广泛应用于牙科修复。相比传统粉末烧结与机械加工，光固化3D打印可显著提升生产效率与材料利用率，但其材料的半透明特性导致光散射严重、精度不足，制约工艺发展并引发修复不密合、继发龋等问题。本研究基于光散射原理提出功能复合粉末设计策略，调控浆料光学性能实现高精度成形并赋予抗菌功能，为推进功能化牙科陶瓷3D打印的临床应用奠定基础。

2、研究背景

为提高制造效率、降低成本，陶瓷3D打印技术被广泛使用和研究。但二硅酸锂玻璃陶瓷的半透明特性在光聚合中引发严重光散射，导致打印精度下降，进而造成修复体与牙体不密合、细菌渗漏及继发龋等临床风险。目前，改善半透性陶瓷材料打印精度的策略主要集中于优化工艺参数、改善陶瓷浆料流变特性以及调控粉体折射率，但这些方法尚存在精度提升有限、工艺复杂、成分残留等问题。

本研究围绕材料的光学参数以及光的散射特性，提出了复合粉末设计策略（玻璃粉/碳粉/氧化锌），引入高消光系数的碳粉作为光吸收剂，降低光散射以提升精度；低消光系数、折射率匹配树脂的氧化锌粉，增强纵向光穿透以保证固化深度，同时利用其抗菌特性赋予修复体长期抑菌功能，实现精度-强度-抑菌协同优化。

3、文章亮点

（1）提出复合粉末设计策略，综合调控消光系数和折射率，解决光散射以及碳粉对光过量吸收的难题，为半透性材料玻璃陶瓷的光固化3D提供普适性解决方案。

（2）通过硅酸锂、碳粉与氧化锌协同，同时提升“精度-强度-抗菌”三大性能，满足牙科修复体在口腔环境服役可靠性、预防继发性龋齿等综合需求。

4、研究结果及结论

图1为浆料的复合设计。碳粉利用其高消光系数抑制光散射，且在高温下可完全氧化挥发，故被选为光吸收剂。氧化锌则通过三重机制发挥作用：其折射率与树脂匹配，可补偿碳粉过度吸收导致的光穿透不足；同时促进烧结致密化；并凭借自身抗菌特性赋予材料抑菌功能。样品按组分及含量命名：LD代表纯二硅酸锂基体；LDC_x表示添加x wt%碳粉；LDC_xZn_y表示在LDC_x基础上再添加y wt%氧化锌。

图1 浆料的配方：(a) LD组浆料的配制；(b) LDC_X 组浆料的配制；(c) LDC_XZn_y组浆料的配制

图2对比了不同组别的光散射模拟结果。均质树脂因无折射率差异而不产生散射；引入半透明玻璃粉后，其与树脂的折射率失配导致严重光散射，导致严重的散射和过大的固化深度和宽度。碳粉的加入通过对散射光的强吸收显著降低了散射，这种过度的吸收会导致欠固化和层间结合差。相比之下，C和ZnO的共掺杂(图2d)得到了更平衡的结果。

图2 光散射模拟结果：(a)未填充树脂；(b)含有微晶玻璃颗粒的浆料；(c) LDC_0.4组的浆料；(d) LDC_0.4ZnO_2.5组的浆料

图3中总结的打印精度实验结果证实了有限元模拟预测的趋势。结果表明，该方法使硅酸锂的打印误差降低92%，且氧化锌的添加改善了试样的层间结合。

图3 (a) LDC_x的单层打印尺寸误差；(b) LDC_0.4Zn_y的单层打印尺寸误差；(c) LD、LDC_0.4、LDC_0.4Zn_2.5和LDC_0.4Zn_4.5的精度孔试样打印尺寸误差；(d) 紫外线照射能量对LDC_x浆料固化深度的影响; (e) 紫外线照射能量对LDC_xZn_y浆料固化深度的影响;(f-g) 3D打印的精度孔试样。

图4对比了各组别的力学性能，与LD相比，LDC_0.4Zn_2.5试样强度提高43.1%，抗弯强度达297.28 MPa，断裂韧性为3.74 MPa·m^1/2，优于多数现有DLP打印二硅酸锂材料。

图4 （a）载荷-位移曲线，（b）抗弯强度和弹性模量，（c）维氏硬度和断裂韧性，（d）微晶玻璃的孔隙率。

氧化锌的引入赋予材料持续抗菌功能。对大肠杆菌与变形链球菌的抗菌率长期稳定在85%以上，满足牙科修复体在口腔环境中预防继发性龋齿的需求。

图5 材料的抗菌性。（a）变形链球菌和大肠杆菌与不同材料的共培养结果。（b）共培养一天后的抗菌率。（c）共培养三天后的抗菌率。（d）共培养五天后的抗菌率。

5、作者及研究团队简介

张凡（第一作者），济南大学机械工程学院硕士研究生，主要研究方向为硅酸锂玻璃陶瓷3D打印。

王高琦（通讯作者），济南大学教授/博导，山东省高校青年创新团队负责人。主要研究方向为医疗器械增材制造技术及装备、表面功能涂层等。兼任中国机械工程学会摩擦学分会青年委员，《Additive Manufacturing Frontiers》、《摩擦学学报》青年编委。主持国家自然科学基金面上项目/青年项目等科研项目10余项。以第一或通讯作者在Additive Manufacturing Frontiers、Additive Manufacturing、 Tribology International 、Journal of Manufacturing Processes、Journal of the European Ceramic Society等高水平期刊发表SCI收录论文30余篇，授权国家发明专利20余件，获得省部级科研奖励3项。

作者邮箱：me_wanggq@ujn.edu.cn

作者ORCID：0000-0003-2926-0642

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。