科学网—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3 D打印-清华大学出版社学术期刊的博文
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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 x Zn 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 X Zn 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 0.4 ZnO 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 0.4 Zn y 的单层打印尺寸误差； (c) LD 、 LDC 0.4 、 LDC 0.4 Zn 2.5 和 LDC 0.4 Zn 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 x Zn 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 0.4 Zn 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。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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