Aus der:
Klinik für Zahnärztliche Prothetik und Biomedizinische Werkstoffkunde Medizinische Hochschule Hannover
Experimentelle In-Vitro-Untersuchung zur Stabilität intraoraler Reparaturen von
vollkeramischem Zahnersatz
Dissertationsschrift
zur Erlangung des Doktorgrades der Zahnmedizin an der Medizinischen Hochschule Hannover
vorgelegt von Philipp-Cornelius Pott
Münster (Westfalen)
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Angenommen vom Senat der Medizinischen Hochschule Hannover am: 04.07.2012
Gedruckt mit der Genehmigung der Medizinischen Hochschule Hannover Präsident: Professor Dr. med. Dieter Bitter-Suermann
Betreuer dieser Arbeit: Privatdozent Dr. med. dent. Michael Eisenburger PhD Referent: Professor Dr. med. dent. Meike Stiesch
Korreferent: Privatdozent Dr. med. dent. Constantin von See
Tag der mündlichen Prüfung: 04.07.2012
Promotionsausschussmitglieder:
Professor Dr. med. dent. Harald Tschernitschek Professor Dr. med. Jan T. Kielstein
Professor Dr. med. Gregor Theilmeier
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
INHALTSVERZEICHNIS ... 3
1. EINLEITUNG ... 6
2. LITERATURÜBERSICHT ... 9
2.1. Keramik in der Zahnheilkunde ... 9
2.1.1. Definition Keramik ... 9
2.1.2. Keramik in der Zahnheilkunde – eine historische Übersicht ... 10
2.1.3. Eigenschaften von Dentalkeramiken ... 11
2.1.4. Zirkoniumdioxidkeramik – Hochleistungskeramiken in der Zahnheilkunde .... 13
2.2. Frakturen der keramischen Verblendung von festsitzendem Zahnersatz ... 16
2.3. Kunststoffe in der Zahnmedizin ... 18
2.3.1. Historischer Überblick ... 18
2.3.2. Komposite ... 18
2.3.3. Adhäsivsysteme ... 20
2.3.4. Haftvermittler ... 22
2.4. Untersuchungen zur Stabilität von Keramik-Komposit Verbindungen ... 25
3. PROBLEMSTELLUNG ... 29
4. MATERIAL UND METHODEN ... 31
4.1. getestete Materialien ... 31
4.1.1. Das Keramik-Reparatur-Set Cimara (VOCO GmbH, Deutschland, Hanau) .. 31
4.1.2. Cimara-Zirkon (VOCO GmbH, Deutschland, Hanau) ... 32
4.1.3. Reparaturkunststoff „Grandio SO“ (VOCO GmbH, Deutschland, Hanau) ... 33
4.2. Studiendesign ... 34
4.2.1. Aufbau der Studie ... 34
4.2.2. Versuchsbeschreibung ... 36
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4.3. Beschreibung der Prüfkörperherstellung ... 39
4.3.1. Keramikkörper aus Verblendkeramik ... 39
4.3.3. Keramikkörper aus Zirkoniumdioxid... 41
4.3.4. Herstellung der Probekörper ... 43
4.4. Künstliche Alterung der Probekörper der Gruppen AVT–FVT und AZT–FZT .... 47
4.5. Der Scherversuch ... 49
5. ERGEBNISSE ... 53
5.1. Ergebnisse aus Teilprojekt 1 – Bruchlast im Scherversuch ohne künstliche Alterung ... 53
5.1.1. Übersicht über die Messwerte aus Teilprojekt 1 ... 53
5.1.2. Frakturverhalten der Proben aus Teilprojekt 1 ... 56
5.1.3. Statistische Auswertung – Teilprojekt 1 ... 57
5.2. Ergebnisse aus Teilprojekt 2 – Bruchlast im Scherversuch nach künstlicher Alterung ... 61
5.2.1. Übersicht über die Messwerte aus Teilprojekt 2 ... 61
5.2.2. Statistische Auswertung – Teilprojekt 2: Hydrolyseverhalten ... 64
5.2.3. Statistische Auswertung – Teilprojekt 2: Bruchlast im Scherversuch nach künstlicher Alterung ... 67
5.3. Vergleich der Teilprojekte 1 und 2 ... 70
5.3.1. Übersicht über die Mittelwerte beider Teilprojekte ... 70
5.3.2. Vergleich der mechanisch vorbehandelten Gruppen aus Teilprojekt 1 und 2 71 5.3.3. Vergleich der Silan-Gruppen aus Teilprojekt 1 und 2 ... 73
5.3.4. Vergleich der Zirkon-Primer Gruppen aus Teilprojekt 1 und 2 ... 75
6. DISKUSSION ... 77
6.1. Diskussion der Methodik ... 77
6.1.1. In-Vitro Untersuchungen ... 77
6.1.2. Diskussion der Prüfkörperherstellung aus Verblendkeramik und Zirkoniumdioxidkeramik ... 78
6.1.3. Diskussion des Probekörperdesigns... 79
6.1.4. Diskussion der künstlichen Alterung ... 80
6.1.5. Diskussion der Versuchsdurchführung ... 82
6.2. Diskussion der Ergebnisse... 83
6.2.1. Zusammenfassung der Hypothesen als Diskussionsgrundlage ... 83
6.2.2. Diskussion der ersten Hypothese ... 83
6.2.3. Diskussion der zweiten Hypothese ... 85
6.2.3. Diskussion der dritten Hypothese ... 87
6.3. Schlussfolgerungen und Ausblick ... 91
7. ZUSAMMENFASSUNG ... 93
8. LITERATURVERZEICHNIS ... 97
9. ABBILDUNGS-, TABELLEN- UND ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS .... 108
9.1. Abbildungsverzeichnis ... 108
9.2. Tabellenverzeichnis ... 109
9.3. Abkürzungsverzeichnis ... 110
9.3.1. Allgemeine Abkürzungen ... 110
9.3.2. Versuchsbezogene Abkürzungen ... 111
10. CURRICULUM VITAE ... 112
11. ERKLÄRUNG ... 113
12. DANKSAGUNGEN ... 114
Einleitung
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1. Einleitung
Die Versorgung mit festsitzendem zahnfarbenem Zahnersatz in Form von keramisch verblendeten Kronen und Brücken mit metallischen oder keramischen Gerüsten ist seit geraumer Zeit ein etabliertes Therapiemittel in der Zahnheilkunde und spielt in diesem Zusammenhang eine zunehmend wichtiger werdende Rolle. Vor allem die ästhetische und funktionelle Korrektur von Frontzähnen mit Veneers oder die Anwendung von keramischen Inlays, Overlays oder Teilkronen, auch zur minimalinvasiven Bisslagekorrektur, sind Bereiche, in denen keramische Restaurationen zur Anwendung kommen. Die vierte Deutsche Mundgesundheitsstudie aus dem Jahre 2006 ergab unter anderem, dass bei 48,5 Prozent der untersuchten erwachsenen Patienten fehlende Zähne mit festsitzendem Zahnersatz versorgt worden sind [83].
Während der Tragedauer von keramisch verblendetem Zahnersatz kann es aus verschiedenen Gründen zu Frakturen im Bereich der Keramiken kommen. Als Ursachen dafür sind hier beispielsweise Bisse auf harte Nahrungsbestandteile, Bruxismus oder auch Parafunktionen des Kauapparates zu nennen. Ebenfalls kann es materialbedingt zu Frakturen keramischer Verblendungen kommen. Diese sind in Form von Chipping und Delaminationsbrüchen für Restaurationen mit keramischen Verblendungen beschrieben. Beim Chipping handelt es sich um Frakturen innerhalb von Verblendkeramiken ohne Exponierung von Gerüstanteilen, für die verschiedene Ursachen diskutiert werden. Hierbei spielen herstellungsbedingte, werkstoffinterne Spannungen durch den Sinterprozess eine genau so wichtige Rolle, wie mögliche Verarbeitungsfehler beim Herstellungsprozess der Verblendungen. Bei den Delaminationsbrüchen verläuft die Frakturlinie immer entlang der Gerüst-Verblendungs-Grenze. Es kommt somit zur Exponierung von Gerüstanteilen des Zahnersatzes. Neben Spannungen und Verarbeitungsfehlern ist bei Delaminationsbrüchen die Verbundstabilität zwischen Gerüst- und Verblendmaterial eine wichtige
Einleitung
mögliche Ursache für dieses Fehlermuster, welches bei vollkeramischem Zahnersatz häufiger beobachtet wird als bei metallkeramischem Zahnersatz [19]. Frakturen an herausnehmbarem Zahnersatz, wie Prothesen oder verschraubten Implantatversorgungen, lassen sich im Labor durch neue Verblendungen reparieren.
Kommt es dagegen bei festsitzendem Zahnersatz in Form von Kronen oder Brücken zu Keramikfrakturen, die aus ästhetischen oder funktionellen Gründen nicht durch eine einfache Politur zu korrigieren sind, und bei denen eine extraorale Neuverblendung oder gar eine Neuanfertigung des Zahnersatzes aufgrund der Ausdehnung oder der Lage des Defektes nicht indiziiert ist, kann Zahnersatz auf verschiedene Weise intraoral repariert werden. Hierbei sind verschiedene Möglichkeiten für Verblendungs- reparaturen in der Literatur beschrieben [90]. Kommt es beispielsweise bei einer Fraktur nicht zur Freilegung von Gerüstanteilen, kann die Stelle intraoral adhaesiv mit Komposit repariert werden. Die Exponierung von metallischen Gerüstanteilen erfordert ein Silanisieren des Metalls nach mechanischer Vorbehandlung mit rotierenden Instrumenten oder Strahlgeräten für die intraorale Anwendung. Nach entsprechender Vorbehandlung kann ein Opaker aufgetragen und die Reparatur durchgeführt werden. Der wachsende Indikationsbereich von vollkeramischem Zahnersatz mit Zirkoniumdioxidgerüst auf den Seitenzahnbereich macht jedoch die Entwicklung von geeigneten Reparaturmethoden für den Fall der Exponierung von Zirkoniumdioxid im Beschädigungsfall notwendig. Es kommt häufig bei der Deckung von Zirkoniumdioxid-Defekten zur Anwendung von Reparaturmaterialien für Verblendkeramiken und Metallgerüste, ohne die Verbundstabilität solcher Materialien zur Zirkoniumdioxidkeramik zu berücksichtigen. Die Industrie bietet derzeit verschiedene Möglichkeiten Komposite an Zirkoniumdioxidkeramik zu verankern. Für solche Reparaturen könnten diejenigen Materialien bzw.
Methoden zur Konditionierung der Zirkoniumdioxidkeramik ebenfalls sinnvoll zur Anwendung kommen, die in der Literatur im Rahmen der
Einleitung
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Oberflächenvorbereitung beim adhäsiven Eingliedern von Zirkoniumdioxid mit Befestigungskompositen beschrieben werden. Größere Probleme hierbei liegen in der Empfindlichkeit der Zirkoniumdioxidkeramik gegenüber mechanischen und thermischen Einflüssen, welche beispielsweise durch die Bearbeitung mit ungekühlten hochtourig drehenden Instrumenten verursacht werden können. Die Verwendung von Sandstrahlgeräten bietet hierbei eine Alternative zur Oberflächenkonditionierung und wird im zahntechnischen Bereich häufig verwendet. Sie ist jedoch für die intraorale Anwendung nur in wenigen zahnärztlichen Praxen vorhanden.
Im Rahmen dieser Studie wurde im Scherversuch die Verbundfestigkeit zwischen Zirkoniumdioxidkeramik oder Verblendkeramik zu Komposit nach simulierter Keramikreparatur untersucht. Die keramischen Oberflächen wurden vor der Kunststoffapplikation entweder mechanisch oder chemisch, – durch Silan oder Zirkoniumdioxid-Primer –, vorbehandelt. Zusätzlich wurde der Einfluss von künstlicher Alterung durch Wasserlagerung und Thermowechselbelastung auf die Verbundfestigkeiten der verschiedenen Reparaturen getestet.
Literaturübersicht
2. Literaturübersicht
2.1. Keramik in der Zahnheilkunde
2.1.1. Definition Keramik
Das Wort Keramik leitet sich vom griechischen Wort keramos ab, das so viel bedeutet wie Töpferton. Als Keramik bezeichnet man Produkte aus nichtmetallischen, anorganischen Werkstoffen, die mindestens zu 30% in kristalliner Form vorliegen [14].
Erste Arten von Keramik sind schon sehr lange bekannt: Vorgeschichtliche Funde belegen, dass schon einige tausend Jahre vor Christus konkrete Techniken zur Bearbeitung und Herstellung von Tonen geläufig waren. Wenn man irdene Tone stark erhitzt, was auch als „Brennen“ bezeichnet wird, lagern sich einzelne Tonkristalle dichter zusammen. Einen solchen Vorgang des „Verdichtens“ bezeichnet man auch als „Sintern“. Verdichtungen der Tonkristalle sind im Verdampfen von Wasser begründet und ziehen somit einen Volumenschwund der Tone und entsprechender Werkstücke mit sich.
Bei der Herstellung von Keramiken unterscheidet man je nach Sinterungsgrad in aufsteigender Reihenfolge zwischen Tongut (Irdengut), Tonzeug (Sintergut) und Porzellan [34].
Dieser natürliche Rohstoff der klassischen Form von Keramik ist eine tonige Substanz, welche zudem durch Zugabe von Wasser plastisch verformbar wird. Eine solche Substanz besteht meist aus Kaolin, Illit und Montmorillonit.
Alle diese Grundstoffe werden mit Quarz, Feldspat, Glimmer und Kalk versetzt. Je nach Zugabemenge von Wasser variieren entsprechend deren plastische Eigenschaften: Bei einem Wassergehalt von 20-35 Gewichtsprozent liegen Keramiken in einer dickflüssigen Konsistenz vor.
Keramiken in solcher Konsistenz wird als „Schlicker“ bezeichnet [34]. In den letzten Jahren wurden darüber hinaus Hochleistungskeramiken entwickelt.
Auf diese besonderen Materialien wird in Kapitel 2.1.4. gesondert eingegangen.
Literaturübersicht
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Keramische Werkstoffe im Allgemeinen zeigen zudem eine hohe chemische Stabilität und kein allergenes Potential. Derartige Eigenschaften sorgen für eine hohe Mundbeständigkeit und eine hohe Biokompatibilität [34]. In der Zahnheilkunde werden diese Keramiken zur Herstellung von Inlays, Veneers, Teilkronen, Verblendungen von Metallgerüsten, Kronen, Brücken, künstlichen Zähnen oder auch als Wurzelstifte verwendet.
2.1.2. Keramik in der Zahnheilkunde – eine historische Übersicht
Die ersten Porzellane wurden etwa 500 v. Chr. in China hergestellt. Erst im Jahre 1709 gelang es am sächsischen Königshof in Dresden erstmals in Europa Porzellane herzustellen. Der neue Werkstoff fand nach kurzer Zeit in der damaligen Zahnheilkunde Verwendung und ersetzte alsbald die bis dahin verwendeten Stiftkronen aus natürlichen menschlichen oder tierischen Zähnen.
Pierre Fauchard (1678 – 1761) beschrieb erstmals 1733, wie man Kunstzähne mit dem neuen Werkstoff „verzieren“ könne. Ende des 18.
Jahrhunderts beschrieb der französische Zahnarzt Nicolas Dubois de Chemant (1753 – 1824) den ersten Stiftzahn mit einer Porzellankrone. Er begründete seine Überlegungen auf den Versuch des Apothekers Duchâteau aus dem Jahre 1774 „eine ganze Prothese aus Keramik zu brennen“ [34].
Die industrielle Herstellung von Zähnen aus Keramik begründeten Claudius Ash um 1837 in England und S. Samuel White im Jahr 1844 in den USA.
Die Porzellankeramik fand schließlich auch Verwendung als Füllungsmaterial: Jenkins schlug 1889 vor, die bis dahin verwendeten Füllungsmaterialien aus tierischen Zähnen durch „Porcelain Enamel“ zu ersetzen, welches individuell zu verarbeiten war. C.H. Land führte im Jahre 1887 Platinfolien als Brennträger ein. So legte er den Grundstein für die Herstellung von Jacketkronen. Diese Entwicklung wurde dann in den 1930er Jahren von Brill und Levin fortgesetzt; und es wurde die Keramikmantelkrone entwickelt.
Literaturübersicht
Traditionelle Dentalkeramiken wurden in dieser Anfangszeit hauptsächlich für die Verblendung von Metallgerüsten verwendet. Den Grundstein für keramisch verblendeten Zahnersatz legten M. Weinstein, S. Katz und A.B.
Weinstein mit ihrem Patent auf die Verwendung von Goldlegierungen als Trägermaterial für die keramischen Werkstoffe [34]. Von nun an entwickelten sich weitere Überlegungen, vor allem das Material und das Gewicht des Zahnersatzes zu minimieren. Deshalb wurden Leichtbaukonstruktionen entsprechender Gerüste entwickelt und Goldlegierungen wurden zum Teil durch das leichtere Titan ersetzt. Es gab bei dieser Art von keramisch verblendetem Zahnersatz jedoch häufig das Problem, dass nur eine sehr geringe Festigkeit solcher keramischen Verblendungen gegen Bruch- und Scherkräfte vorlag, was eingeschränkte Indikationsbereiche nach sich zog.
Um dieser Problematik entgegen zu treten, mussten die Materialeigenschaften der Keramiken selber verbessert werden.
Im Jahre 1965 konnte McLean zeigen, dass die Festigkeit von Keramiken durch Hinzufügen von Aluminiumoxid zum Feldspat gesteigert werden kann [82]. In weiteren Untersuchungen zeigte sich sogar, dass Zirkoniumdioxid hierbei wirkungsvoller ist als Aluminiumoxid [73].
Sowohl Zirkoniumdioxidkeramiken wie auch Aluminiumoxidkeramiken spielen seither aufgrund ihrer Biokompatibilität neben der Verwendung als Implantatmaterial in der Humanmedizin eine immer größer werdende Rolle für die Zahnmedizin als Zahnersatz- und Implantatmaterialien [126]. In den 1990er Jahren hielt die Zirkoniumdioxidkeramik schließlich als ein hochbelastbares Material ihren Einzug in die Zahnheilkunde [45], welches Stabilität mit Ästhetik verbindet und sich daher für den Einsatz als Gerüst für Kronen und Brücken sowie für die Herstellung von Implantatabutments hervorragend eignet [73].
2.1.3. Eigenschaften von Dentalkeramiken
Keramische Materialien bieten aufgrund von Transluzenz, Transparenz, Opazität, Farbe und Fluoreszenz die Möglichkeit, natürliche
Literaturübersicht
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Zahnhartsubstanz zu imitieren. Hierbei ist die Brechung und die Streuung des Lichtes an den Strukturgrenzen der Kristalle eine ausschlaggebende physikalische Voraussetzung. Gegossene, gepresste und gefräste keramische Gerüste haben werkstückdurchgängig die gleichen optischen Eigenschaften. Dies macht eine anschließende Verblendung eines keramischen Gerüstes für eine ästhetisch hochwertige Gestaltung des Zahnersatzes durch den Zahntechniker notwendig.
Alle mechanischen Eigenschaften sowohl von Dentalkeramiken als auch von Glaskeramiken werden durch ihr kristallines Grundgerüst bestimmt. Dabei kann man sagen, dass jede Auflockerung des Kristallgitters die mechanischen Eigenschaften verschlechtert und jedes Verdichten die Eigenschaften entsprechend verbessert [34].
Die Ausbildung des Kristallgitters ist stark temperaturabhängig. Daraus ergibt sich, dass die mechanischen Eigenschaften der Keramik mit der Temperatur stark variieren können. Außerdem hängen die mechanischen Eigenschaften vom Material und von dessen Verarbeitung ab [33, 63]. Die mechanische Belastbarkeit ist die größte Schwachstelle dentalkeramischer Materialien [52]. Um diese Schwachstellen zu minimieren, wurden diverse Verstärkungsmechanismen für Dentalkeramiken entwickelt. Lagert man beispielsweise Teilchen in die Keramikmasse ein, die eine höhere Festigkeit und eine höhere Steifigkeit als die Masse selbst aufweisen, und außerdem ein deutlich unterschiedliches Temperaturverhalten haben, kommt es beim Sintern ausgehend von den eingelagerten Teilchen zu Spannungen innerhalb des Werkstückes.
Abb, 1: Schematische Darstellung der Erhöhung der Bruchfestigkeit von keramischen Materialien durch eingelagerte Moleküle
Literaturübersicht
Wenn ein Riss im Werkstück auf ein solches „Fremdteilchen“ trifft, wird die Ausbreitung des Risses entweder gestoppt, oder die Rissrichtung wird geändert (Abb. 1).
Die Umlenkung der Bruchlinie hat eine Verlängerung des Rissweges zur Folge. Um diese Bruchlinie dennoch weiter zu verlängern, wäre nun eine größere Kraft notwendig, als vor der Spannungserhöhung. Dies führt somit zur Erhöhung der Bruchfestigkeit [21, 24, 34, 44, 70]. Dabei führt ein Zusatz von 35% Aluminiumoxid schon zu einer Verdopplung der Festigkeit [23].
2.1.4. Zirkoniumdioxidkeramik – Hochleistungskeramiken in der Zahnheilkunde
Zirkoniumdioxidkeramik zählt zu den sogenannten Hochleistungskeramiken.
Als Hochleistungskeramiken werden Werkstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumcarbid und Siliziumnitrid bezeichnet [69].
Zirkoniumdioxid wurde 1789 von dem deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth (1743 – 1817) beim Erhitzen von Edelsteinen entdeckt und kam lange Zeit mit Eisenoxiden vermischt bei der Farbpigmentierung von Keramiken zur Anwendung [99]. Zirkoniumdioxid kann aus mineralischen Rohstoffen wie dem Baddeleyit (96-99% ZrO2-Gehalt), oder dem heutzutage meist verwendeten Zirkonsand (Zirkonsilikat) synthetisch hergestellt werden.
Während des chemisch sehr aufwendigen Prozesses wird reines Zirkoniumdioxid durch eine Reaktion mit Natriumhydroxid gewonnen [73].
Bei Oxidkeramiken handelt es sich im Allgemeinen um polykristallin oxidische Werkstoffe, die im Vergleich mit Silikatkeramiken einen vernachlässigbaren Anteil an Glas haben, worin ihre Festigkeit begründet liegt [73]. Aufgrund seiner Kristallstruktur ist der Zustand des Zirkoniumdioxides temperaturabhängig. Bei Temperaturen bis 1170°C ist die Kristallgitterstruktur monoklin. Steigt die Temperatur weiter an, wandelt sich die monokline in eine tetragonale Gitterstruktur um, welche bis 2370°C stabil bleibt und dabei ein kleineres Raumvolumen einnimmt als die monokline
Literaturübersicht
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Form. Oberhalb dieser Temperatur lässt sich eine kubische Kristallform feststellen. Seinen Schmelzpunkt erreicht Zirkoniumdioxid bei 2680°C [28, 73].
Die wohl wichtigste Eigenschaft von Zirkoniumdioxid liegt in der enormen Belastbarkeit. Im Vergleich mit Keramiken, welchen Aluminiumoxide zugesetzt sind, ist die Belastbarkeit von Zirkoniumdioxid ungefähr doppelt so groß. Diese enorme Stabilität liegt in der sogenannten Transformationsfestigung begründet [34, 70]: Dabei wird ausgenutzt, dass sich unter Spannungsbelastung die Kristallstruktur von Zirkoniumdioxid von der tetragonalen in eine monokline Gitterstruktur verändert. Diese Phasenumwandlung, auch „t/m-Umwandlung“ genannt, hat eine Volumenzunahme der Kristallite um bis zu 4% zur Folge. Bei eintretender Rissbildung kommt es zur oben beschriebenen Phasenumwandlung. Durch die Volumenzunahme des ZrO2 erhöht sich im Werkstück lokal der Druck.
Letzteres hat zur Folge, dass zur weiteren Ausbreitung des Risses größere Kräfte notwendig werden [70, 76]. So wird eine weitere Ausbreitung des Risses verhindert oder die Richtung des Risses verändert. Aus diesem Grunde können ZrO2-Keramiken auftretenden Kaukräften auch im Seitenzahnbereich standhalten [111, 122].
Solche Phasenumwandlungen von tetragonaler zu monokliner Kristallgitterstruktur sind auch temperaturabhängig: Um eine Keramik zu stabilisieren und um mögliche t/m-Umwandlungen zu umgehen, können in das Kristallgitter der Keramik Oxide anderer Metalle eingelagert werden. Es handelt sich dabei hauptsächlich um Magnesiumoxid (MgO), Calziumoxid (CaO), Yttriumoxid (Y2O3) sowie Caesiumoxid (CeO2). Y2O3 hat sich hier als besonders günstig erwiesen [73].
Aufgrund ihrer metallischen Komponenten und ihres Gehaltes an oxidischen Verbindungen kann man Zirkonkeramiken in drei verschiedene Gruppen einteilen: Zum einen handelt es sich um die voll stabilisierte Zirkoniumdioxidkeramik (FSZ: Fully Stabilized Zirconia), bei der die kubische Gitterform bis auf Raumtemperatur stabilisiert wird. Die teilstabilisierte
Literaturübersicht
Zirkoniumdioxidkeramik (PSZ: Partially Stabilized Zirconia) enthält so viele Fremdoxide, dass beim Abkühlen nach dem Sintervorgang sowohl kubische Kristallgitter vorliegen, als auch die t/m-Umwandlung teilweise stattfinden kann. Als dritter Typ soll der tetragonale Zirkoniumdioxid Polykristall (TZP) vorgestellt werden. Diese Zirkoniumdioxidkeramik enthält weniger als 5 Gewichtsprozente Fremdoxid und besteht somit vollständig aus der tetragonalen Phase. Aufgrund des hohen Anteils der tetragonalen Phase und ihrer damit verbundenen hohen mechanischen Festigkeit findet vor allem die yttriumstabilisierte TZP Keramik (Y-TZP) Verwendung in der Zahnmedizin [73].
Zirkoniumdioxidkeramiken weisen neben der hohen mechanischen Belastbarkeit auch eine gute Biokompatibilität auf. Die Besiedelung mit möglicherweise pathogenen Bakterien ist – verglichen mit Titan – als Zahnersatzmaterial bei Zirkoniumdioxidkeramiken deutlich geringer [104, 110]. Auch die Ausbildung einer etablierten Plaque nach der ersten Besiedelung durch oralpathogene Keime ist auf keramischen Oberflächen deutlich erschwert [12, 47]. Die Begründung hierfür findet sich vor allem in der dichten, harten und nach dem Glanzbrand glatten Oberfläche des fertigen Zahnersatzes [34]. Solche Oberflächeneigenschaften des keramischen Zahnersatzes schaffen grundlegende Voraussetzungen für eine gute Hygienefähigkeit und für eine lange klinische Beständigkeit im Mund der Patienten.
Im Vergleich mit metallkeramischem Zahnersatz zeigen vollkeramische Restaurationen eine bessere Ästhetik, eine vergleichbare Farbstabilität und eine angemessene Passung [20].
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2.2. Frakturen der keramischen Verblendung von festsitzendem Zahnersatz
Seit der ersten Erwähnung von „keramisch verziertem Zahnersatz“ in der Zahnmedizin im Jahr 1733 durch Pierre Fauchard (1678 – 1761) [33] spielt auch das Problem der Frakturen eben dieser Verblendungen eine wichtige Rolle. Mit Entwicklung neuer Herstellungsverfahren und Einführung unterschiedlicher Gerüstmaterialien von gegossenen Metallen über die Aluminiumoxidkeramik bis zur in CAD/CAM-Technik gefrästen Zirkoniumdioxidkeramik, wurde festsitzender Zahnersatz immer belastbarer.
Manicore et al. verglichen die mechanische Belastbarkeit von Zirkonium- dioxid mit der Belastbarkeit von Edelstahl. Sie beschreiben für Zirkoniumdioxid Zugfestigkeiten von 900–1200 MPa und Druckfestigkeiten von 2000 MPa [75]. Dennoch traten Frakturen der Verblendkeramiken weiterhin auf. Schley et al. untersuchten im Jahr 2010 die veröffentlichte Literatur der Jahre 1999 bis 2009 zum Thema der Überlebensrate von festsitzendem vollkeramischem Zahnersatz mit Gerüsten aus Zirkoniumdioxid. Diese Studie hat ergeben, dass nach 5 Jahren Tragedauer noch 94,29% der Restaurationen weiterhin in situ waren. Bei 76,41 % zeigten sich keinerlei Fehler. Das Chipping wurde in diesem Zusammenhang als der am häufigsten auftretende Fehler genannt [111]. Coelho et al. kamen in Ihrer Belastungsuntersuchung aus dem Jahr 2009 zu dem Ergebnis, dass bei Druckbelastungen von vollkeramischen Kronen Belastungsspitzen hauptsächlich im Bereich der Kronenränder und im Bereich des Zementspaltes auftreten. Sie kamen zu der Aussage, dass es sich in 50%
aller aufgetretenen Frakturfälle um Chipping-Frakturen handelt [22].
Beim Chipping handelt es sich um das Abplatzen von Anteilen der keramischen Verblendungen. Dabei verläuft die Fraktur innerhalb der Verblendkeramik und nicht in der Grenzfläche zum Gerüst. Als Ursache hierfür wird das Entstehen von Spannungen im Verblendmaterial beim Sintern und beim anschließenden Abkühlen aufgrund von unterschiedlichen
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thermischen Expansionen diskutiert, was letztendlich zum Kohäsionsversagen innerhalb des keramischen Werkstoffes führt. Wenn es durch den Verlust von Verblendanteilen zur Exponierung von Gerüstanteilen kommt, spricht man von sogenannten Delaminationen, dem Versagen der Adhäsion zwischen Verblendkeramik und Gerüstmaterial [43, 74]. In der Literatur werden Chippingfrakturen der Verblendkeramik für Metall-Keramik- und für Zirkoniumdioxid-Zahnersatz beschrieben und von mehreren Arbeitsgruppen diskutiert [40, 54]. Das Auftreten von Chipping-Frakturen der Verblendkeramik kann aus verschiedenen materialtechnischen, verarbeitungstechnischen und klinischen Gründen bei Zirkoniumdioxid- Zahnersatz häufiger beobachtet werden als bei Metall-Keramik-Zahnersatz [54, 112]. Es gibt aber auch einzelne Studien, die ergeben, dass zwischen dem Auftreten von Chipping bei vollkeramischem und metallkeramischem Zahnersatz kein signifikanter Unterschied besteht [1, 27]. Verschiedene Studien konnten des weiteren zeigen, dass eine Verlängerung des Abkühlprozesses nach dem Sintern von Verblendkeramiken das Auftreten von Chipping und Delaminationsbrüchen verringert [44, 46]. Auch die Schichtstärke der aufgebrachten Verblendkeramik ist in diesem Zusammenhang zu beachten. Mit abnehmender Schichtdicke verringert sich dabei die Wahrscheinlichkeit von Kohäsionsbrüchen innerhalb der Verblendkeramik [46], es wird dabei jedoch auch die Ästhetik der Verblendung negativ beeinflusst.
Neben dem verwendeten Gerüstmaterial spielt bei Einzelkronen, vor allem aber bei Brücken, auch die Formgebung des Gerüstes eine ausschlaggebende Rolle [54]. Die Gerüste sollten hierbei das in Verblendkeramik hergestellte okklusale Relief weitestgehend unterstützen [84].
Literaturübersicht
18 2.3. Kunststoffe in der Zahnmedizin
2.3.1. Historischer Überblick
Mit der Entwicklung der Kautschuk-Vulkanisationsverfahren von Charles Goodyear (1800 – 1860) wurde Thomas Evans (1823 – 1897) im Jahr 1854 ein Material zugänglich aus dem er die ersten Totalprothesen aus einem Kunststoff fertigen konnte. Fast 80 Jahre später gelang Otto Röhm (1876 – 1939) erstmalig die Synthese von Methyl-Methacrylat (MMA), welches in seiner ursprünglichen Reinform allerdings für zahnmedizinische Zwecke nicht verwendbar war. Die Einführung des bis heute verwendeten Polymethylmethacrylates (PMMA) in Form von Polymergranulat und Monomer gelang ihm im Jahr 1936.
Im Jahr 1956 synthetisierte Bowen das Bis-GMA als Weiterentwicklung des PMMA und lies dieses sechs Jahre später patentieren. Das Bis-GMA ist bis heute ein wichtiger Bestandteil von Füllungswerkstoffen. Es war ebenfalls Bowen, der mit der Einführung von Silanen als Haftvermittler den Grundstein für die eigentlichen Komposite gelegt hat [8].
2.3.2. Komposite
Bei den Kompositen (engl. to composite – zusammenfügen) handelt es sich um einen Verbundstoff aus diversen Einzelkomponenten.
Kompositwerkstoffe werden heutzutage in der Zahnmedizin beispielsweise für intraorale Füllungstechniken oder auch für Verblendungen von Zahnersatz verwendet. In eine Grundmatrix werden zur Steuerung der mechanischen, optischen und funktionellen Eigenschaften bis zu 80%
Füllkörper eingelagert. Ihre Matrix besteht aus kreuzvernetzten Kunststoffen auf Methylenmetacrylat-Basis mit einer geringen Löslichkeit in Wasser. Als Füllstoffe werden Glas, Quarz oder Keramik verwendet, die je nach ihrer Partikelgröße in Mikro- (0,4 – 1 µm) und Makrofüller (1 – 100 µm)
Literaturübersicht
unterschieden werden [49]. Der Verbund zwischen Matrix und Füllstoffen erfolgt über Silane [8].
Man kann lichthärtende Komposite von kombiniert licht- und autopolymerisierenden Kompositen, sowie den dualhärtenden Kompositen unterscheiden. Beide Kunststoffe bestehen aus hochmolekularen Dimethacrylaten, Bis-GMA und TEGDMA sowie einigen organischen und anorganischen Füllstoffen [36, 78]. Lichthärtende Befestigungskomposite polymerisieren durch eine lichtinduzierte Radikalbildung unter Einwirkung von Halogenlicht. Als Initiator dieser Reaktion wird den lichthärtenden Kompositen Campherchinon zugesetzt [36]. Diese Kunststoffe bieten eine Reihe von Vorteilen für ihre Verwendung in Kombination mit vollkeramischem Zahnersatz. Der wichtigste Vorteil solcher lichthärtender Komposite ist deren lange Verarbeitungszeit vor allem hinsichtlich adhäsiver Füllungstherapie oder auch der ästhetischen Reparatur von Keramikfrakturen im sichtbaren Bereich [36, 48]. Bei den selbsthärtenden Kompositen handelt es sich um zweiphasige Systeme, deren Polymerisationsreaktion durch Zusammenfügen der einzelnen Komponenten initiiert wird. Sobald die Reaktion startet, polymerisiert der Kunststoff vollständig aus [36]. Die Folge ist somit eine begrenzte Verarbeitungszeit. Unter dualhärtenden Kunststoffen versteht man Systeme, welche die Vorteile der beiden vorangestellten Komposit-Typen miteinander vereinen. Es handelt sich um ein Zwei-Komponentensystem, dem ein Photoinitiator zugesetzt worden ist. Dies garantiert eine vollständige Polymerisation, die durch Lichteinstrahlung beschleunigt wird [36].
Komposite müssen hinsichtlich ihrer klinischen Stabilität und dem damit verbundenen Langzeiterfolg immer im Zusammenhang mit ihrem Verbundsystem zur Zahnhartsubstanz oder zur jeweils anderen Oberfläche betrachtet werden. Zu diesen Verbundsystemen gehören Schmelz- und Dentinkonditionierer, Haftvermittler, Opaker, verschiedene Primer für Zahnhartsubstanzen, Keramiken oder Metalle, Silane, dünnfließende Kunststoffe und letztendlich natürlich auch die eigentlichen Komposite [36].
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20 2.3.3. Adhäsivsysteme
Um einen stabilen und mundbeständigen Verbund zwischen Kunststoffen und Zahnhartsubstanzen, Metallen oder Keramiken erreichen zu können, werden Adhäsivsysteme zur Haftvermittlung benötigt. Die ersten Überlegungen zum adhäsiven Verbund zwischen Kunststoffen und Zahn stammen bereits aus dem Jahr 1955 und gehen auf Buonocore zurück [15].
Seit dem wurden die Verbundsysteme ständig weiterentwickelt und nach verschiedenen Methoden in Gruppen eingeteilt. Eine dieser Einteilungen berücksichtigt den zeitlichen Entwicklungsablauf und beschreibt sieben Generationen von Adhäsivsystemen:
Adhäsivsysteme der ersten Generation versuchten über bipolare Moleküle einen Haftverbund zwischen Kunststoff und Zahnhartsubstanz zu erreichen.
Die dabei entstehenden Verbindungen waren jedoch stark hydrolyseanfällig und konnten somit für die klinische Anwendung keine ausreichende Stabilität erreichen. In den 1970er Jahren etablierte sich die zweite Generation der Adhäsivsysteme. Diese zeichneten sich dadurch aus, dass die starke Hydrolyseanfälligkeit durch Zugabe eines Bis-GMA Bondings verbessert werden sollte. Es konnten zwar Verbesserungen der Verbundfestigkeit im Vergleich mit der ersten Generation erreicht werden, diese waren aber für die sichere klinische Anwendung noch immer nicht ausreichend. Die Adhäsivsysteme der dritten Generation kommen nach einer Vorkonditionierung der Zahnhartsubstanzen zum Einsatz, welche bei den beiden ersten Generationen noch vernachlässigt wurde. Hier erfolgt eine Vorbehandlung des Zahnschmelzes und des Dentins mit unterschiedlichen sauren Primern, die den vorhandenen Smear Layer infiltrieren und so mikroretentive Haftstrukturen freilegen. Mit den Systemen der dritten Generation konnten erstmalig Haftwerte erreicht werden, die einen sinnvollen klinischen Einsatz ermöglichen. Die Adhäsivsysteme der vierten Generation unterscheiden sich von denen der dritten Generation hauptsächlich durch das sogenannte „Total-Etch-Verfahren“. Zahnschmelz und Dentin werden dabei nicht mehr mit unterschiedlichen Primern behandelt, sondern es
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kommt nur noch ein saurer Primer zum Einsatz. In der fünften Generation der Adhäsive wurde die Verarbeitungstechnik vereinfacht. Nach dem „Total-Etch Verfahren“ müssen Primer und Adhaesiv nicht mehr einzeln aufgetragen werden. Primer und Adhaesiv wurden in sogenannten „One-Bottle Systemen“
zusammengefasst. In der sechsten Generation wurden die selbstkonditionierenden Adhäsivsysteme beschrieben. Sie verbinden Total- Etch Konditionierung direkt mit Primer und Adhaesiv in einer Flüssigkeit [51].
In den letzten Jahren etablierte sich als siebte Generation eine weitere Gruppe der Komposite, die sogenannten „self etch / self adhaesive“ - (SE/SA) Kunststoffe. Bei diesen Materialien ist ein entsprechendes Konditionierungs- und Adhäsivsystem für Zahnhartsubstanzen bereits enthalten, wodurch die Handhabung deutlich vereinfacht und beschleunigt wird. Diese Materialien kommen hauptsächlich als Befestigungsmaterialien für indirekte Restaurationen zum Einsatz [109]. Die Verwendung von SE/SA Kunststoffen für intraorale Reparaturen von Keramikfrakturen ist bis jetzt noch nicht beschrieben.
Haftvermittler bieten neben dem bekannten Zahn-Kunststoff Verbund auch eine zuverlässige Methode, entsprechende Verbundeigenschaften zwischen Kunststoffen und keramischen Oberflächen signifikant zu verbessern und die Hydrolyseneigenschaften dieser Verbindungen zu stabilisieren. Sie finden daher ihre Einsatzbereiche beispielsweise beim Zementieren indirekter Restaurationen und bei der Reparatur frakturierter Keramikrestaurationen.
Bei allen Anwendungsbereichen der Haftvermittler ist eine Vorbehandlung der keramischen Oberflächen vor dem eigentlichen Keramik-Kunststoff- Verbund notwendig. In Abhängigkeit der exponierten Oberfläche reicht die Bandbreite dieser Maßnahmen vom einfachen Konditionieren mit Säure oder vom mechanischen Bearbeiten mit rotierenden Instrumenten über labortechnisches oder auch intraorales Bestrahlen mit Aluminiumoxid, bis hin zur Anwendung von Haftvermittlern in Form von Silanen und Primern [9, 85, 95, 96].
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22 2.3.4. Haftvermittler
In Abhängigkeit der miteinander zu verbindenden Werkstoffe spielen verschiedene Kräfte eine entscheidende Rolle. Diese Kräfte lassen sich in mechanische Retentionen, chemische Reaktionen und physikalische Bindungskräfte einteilen [37]. Abbildung 2 gibt eine schematische Übersicht über die verschiedenen Bindungsarten zwischen verschiedenen Werkstoffen.
Für die mechanischen Verankerungen sind Retentionselemente an einem der zu verbindenden Werkstücke notwendig, beispielsweise an einem Kronengerüst, an welchen sich in diesem Fall das Verblendmaterial verankern lässt. Mikroretentionen in Form von Oberflächenrauhigkeiten durch Beschleifen oder Bestrahlen sorgen durch eine Oberflächenvergrößerung für eine bessere Adhäsionsfähigkeit von Oberflächen [68].
Das Aufbringen sogenannter Zwischenschichten kann den Verbund zwischen zwei Werkstoffen und die Hydrolyseeigenschaften dieser Verbindungen weiter verbessern. Zu solchen Zwischenschichten zählen neben Adhäsiven auch Oxidschichten, beispielsweise Siliziumdioxid, und Silane. Moderne Haftsysteme kombinieren die einzelnen Faktoren miteinander [68].
Abb. 2 – Einteilungsmöglichkeiten von Haftmechanismen [35]
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2.3.4.1. Silane
Siliziumgruppen, die organische Restgruppen tragen, werden auch als Silan bezeichnet [68]. Die chemische Struktur der Silane kann sich in ihren organischen Resten unterscheiden. Generell kann die Struktur als R-Si- (OR)3 beschrieben werden [100, 103]. Abbildung 3 zeigt eine solche chemische Strukturformel, sowie die Hydrolysereaktion von Silanen.
Über die bei der Hydrolyse entstehenden Hydroxylgruppen können Silane mit anderen reaktiven Gruppen, wie beispielsweise Silanogruppen nach Oberflächensilikatisierung oder in Glaskeramiken bereits vorhandener Silikatmolekülen kovalente Bindungen ausbilden. Diese Verbindung ist in Abbildung 4 schematisch dargestellt [35].
Abb. 3 – Strukturformel von Silanen und Hydrolysereaktion [35]
Abb. 4 – Kovalente Bindungen zwischen Hydroxylgruppen des Silans mit Silanogruppen auf
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24 2.3.4.2. Primer-Systeme
Durch die zunehmend größer werdende Rolle von Zirkoniumdioxidkeramik als Gerüstmaterial für Zahnersatz ergab sich die Notwendigkeit, alle wesentlichen bisher bekannten Haftvermittlersysteme weiter zu entwickeln.
Um stabile Verbindungen zur Zirkoniumdioxidkeramik zu erreichen wurden hierbei verschiedene Ansätze verfolgt. Dabei wird ausgenutzt, dass bestimmte Monomere wie MDP (Methacryloyloxydecyl Dihydrogen Phosphat), 4-META (4-Methacryloxyethyltrimellitatanhydrid) oder auch MEP (Mercapto-ethylpyridin) mit oxidischen Gruppen der Zirkoniumdioxidkeramik reagieren können [72, 88, 116, 123]. Der Verbund zwischen Primer und Kunststoff entsteht dabei zwischen Reaktiven Gruppen des Primers und des Kunststoffes. Neue Primersysteme enthalten dabei in der Regel Kombinationen aus verschiedenen Methacrylaten in Verbindung mit Phosphorsäureester, Silikaten, Silanen oder Alkoholen [58]. Derartige Systeme werden als Ein- oder Zweiflaschensysteme angeboten. Es zeigt sich, dass hierbei vor allem Systeme, die Phosphatester und MDP enthalten, besonders effektiv sind [58, 61, 121].
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2.4. Untersuchungen zur Stabilität von Keramik-Komposit Verbindungen
Mit der Einführung der CAD/CAM Systeme zur Bearbeitung von oxidkeramischen Materialien wurde die Entwicklung der Befestigungsmaterialien für diese Keramiken vorangetrieben. Es besteht bis heute keine Einigung über eine ideale Befestigungsweise für Zahnersatz aus Zirkoniumdioxidkeramik. Es wird diesbezüglich neben dem konventionellen Zementieren mit Zinkphosphat- oder Glasionomerzementen das adhäsive Zementieren diskutiert. Zusätzlich zur Befestigungsproblematik ergibt sich bei festsitzenden keramisch verblendeten Restaurationen mit Gerüsten aus Keramik oder aus Metallen die Notwendigkeit, Methoden zu entwickeln, diesen Zahnersatz im Fall leichter Beschädigungen der Keramik auch intraoral reparieren zu können, ohne festsitzenden Zahnersatz herausnehmen zu müssen. Es werden zu diesem Zweck von mehreren Herstellern entsprechende Reparatursets angeboten.
In den letzten Jahren haben sich diverse Autoren mit der Stabilität der Verbindung zwischen Keramiken und Kompositen abhängig von verschiedenen Vorbehandlungen der keramischen Oberflächen hinsichtlich beider Problemstellungen beschäftigt [3-6, 13, 18, 57, 79, 81, 88-90, 101, 117-119]. Die Erzeugung mikroretentiver Strukturen mittels Säureätzung ist bei der Vorbehandlung von herkömmlichen Dentalkeramiken eine etablierte Vorgehensweise zur Vorbereitung der Oberflächen auf den adhäsiven Verbund zum Komposit. Borges et al. sowie Ozcan et al. stellten mit ihren Untersuchungen fest, dass Oxidkeramiken aufgrund der fehlenden Glasphase der Erzeugung von eben diesen Mikroretentionen durch Ätzen mit Säure widerstehen [11, 91].
Im Jahr 2002 haben Stewart et al. die Verbindungsstabilität zwischen verschiedenen Befestigungskompositen zur Keramik und zum Dentin untersucht. Sie fanden heraus, dass die Festigkeit der Bindung stark von der Oberflächenvorbereitung sowohl der Keramik als auch des Dentins abhängig
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26
ist. Die Keramikvorbereitung durch Silanisieren lieferte hier die stabilsten Ergebnisse bezogen auf alle untersuchten Zemente [115].
Blatz et al. haben mit Hilfe von Scherversuchen die Verbundfestigkeit zwischen Zirkoniumdioxidkeramik und verschiedenen Kompositen untersucht, nachdem die Proben zwischen 3 und 180 Tagen in destilliertem Wasser gelagert und Thermowechselbelastungen zwischen 5 und 60 Grad Celsius unterzogen wurden. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass Befestigungskomposite, deren Adhäsivkomponente Phosphat-Monomere enthält, am stabilsten sind [10]. Sie bestätigen damit die Ergebnisse von Kern und Wegener aus dem Jahre 1998 [56].
Palacios et al. untersuchten 2006 die Verbundstabilität von Komposit- Zement, Kompomeren und selbstadhäsiven modifizierten Kompositen an sandgestrahlter Procera AllCeram Keramik. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass es keine signifikanten zementabhängigen Unterschiede in der Festigkeit der untersuchten Verbindungen gibt [92]. Ebenfalls im Jahr 2006 haben Valandro et al. herausgefunden, dass die Vorbehandlung der Keramik durch Silikatisieren die Verbindungsfestigkeit zwischen Komposit und Zirkoniumdioxidkeramik sowie Aluminiumoxidkeramik signifikant erhöht [90, 118].
Im Juni des gleichen Jahres untersuchten Atsu et al. die Einflüsse von Oberflächenbehandlungen von Zirkoniumdioxidkeramiken auf die Verbundfestigkeit mit adhäsiven Kompositen. Sie stellten fest, dass Silikatisieren der Keramik und die Verwendung von „MDP-containing bonding/silane“- Verbindern die Festigkeit verbessern können [5]. Lüthy et al.
konnten im Jahre 2006 in ihrem Thermocycling-Versuch weiterhin zeigen, dass die Verbundfestigkeit zu Komposit-Zementen gegenüber Glasionomerzementen deutlich stabiler ist [71]. Im Mai 2008 haben sich Akgungor et al. mit den Einflüssen verschiedener Oberflächenvorbereitungen auf die Verbundfestigkeit zwischen Zirkonkeramik und Kompositen beschäftigt und die Unterschiede der Festigkeiten nach 3 Tagen und nach 150 Tagen beurteilt. Keramikblöcke wurden vor dem Aufpolymerisieren des
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Kunststoffes sandgestrahlt, silikatisiert, silanisiert oder sandgestrahlt und zusätzlich mit einem Primer behandelt. Die Auswertung hat ergeben, dass eine Primerbehandlung der Keramik gegenüber den anderen Oberflächenbehandlungen die stabileren Ergebnisse liefert [3]. Spohr et al.
beschrieben im gleichen Jahr, dass das „Rocatec“-Verfahren sowie das Sandstrahlen mit Aluminiumoxid mikroretentive Oberflächen auf Zirkoniumdioxid erzeugen kann [114].
In den folgenden Jahren bis heute konnten diese exemplarisch aufgeführten Studien weiterhin bekräftigt werden [29, 32, 39, 55, 59, 72, 87, 98]. Auch hinsichtlich der Verwendung von verschiedenen speziellen Primern bei der Verwendung von Zirkoniumdioxidkeramik sind von 2008 bis 2011 viele Daten veröffentlicht worden. Die Ergebnisse variieren leicht, sind aber im Gesamtergebnis kongruent. Eine Verwendung von speziellen Zirkon-Primern verbessert die Verbundfestigkeit zwischen Keramik und Komposit signifikant [3, 10, 17, 38, 42, 55, 58, 60, 61, 67, 72, 88, 93, 106-108, 119, 120, 123, 124]. Es gibt allerdings hinsichtlich der Langzeitstabilität unter Wassereinwirkung produktabhängig massive Unterschiede [3, 10, 38].
2006 untersuchten Özcan et al. die Stabilität von Reparaturen nach vier unterschiedlichen Vorbehandlungen der Frakturstellen. Es handelte sich dabei um Säurekonditionierung, Sandstrahlen mit Aluminiumoxid, Silikatisieren sowie um Verwendung von zweischichtigem glasfaserverstärktem Komposit. Jede Probe wurde in vier Zyklen mit den angesprochenen Methoden repariert. Es konnte festgestellt werden, dass sich die Reparaturstabilitäten nach Säurekonditionierung, Sandstrahlen und Silikatisieren nicht maßgeblich voneinander unterscheiden. Die Stabilität der Originalkrone konnte in keinem der drei Fälle erreicht werden. Lediglich die Verwendung des Glasfasersystems führte zu stabilen Verbindungen, welche die Festigkeit der Originalkrone erreichen konnten [90].
Im Jahr 2010 konnte Attia feststellen, dass Silikatisieren und anschließendes Silanisieren im Vergleich zur Oberflächenbearbeitung durch Strahlen mit
Literaturübersicht
28
Aluminiumoxid stabilere Reparaturergebnisse an vollkeramischem Zahnersatz liefert [6].
Problemstellung
3. Problemstellung
Die größer werdende Bedeutung von vollkeramischem, festsitzendem Zahnersatz und die Erweiterung des Indikationsbereichs von vollkeramischem Zahnersatz auf den Seitenzahnbereich durch die Einführung von herkömmlich verblendeten Zirkoniumdioxidgerüsten geht mit einer erhöhten Zahl von Frakturen der Verblendungen dieser Versorgungen einher.
Sowohl für den Front- als auch für den Seitenzahnbereich werden die auftretenden Kaukräfte neben werkstoffbedingten Faktoren als häufige Ursache für das Auftreten von Keramikfrakturen mit und ohne Gerüstexposition diskutiert. Für metallkeramische Restaurationen sind zahlreiche Wege beschrieben, geringe Beschädigungen der Verblendung intraoral zu reparieren. Diese Reparaturmethoden werden häufig auch bei vollkeramischen Restaurationen angewendet, ohne einen stabilen Verbund zwischen Gerüst- und Reparaturmaterial zu erreichen. In den letzten Jahren wurden vermehrt Techniken und Systeme zur intraoralen Reparatur von vollkeramischem Zahnersatz mit Gerüsten aus Zirkoniumdioxidkeramik beschrieben, um auch hier längerfristig stabilere Reparaturmöglichkeiten zu bieten.
Die vorliegende Studie untersucht im Scherversuch die Verbundstabilitäten zwischen Zirkoniumdioxid- und Verblendkeramik mit Reparaturkunststoff nach mechanischer und verschiedener chemischer Vorbehandlung der keramischen Oberflächen hinsichtlich der folgenden Hypothesen:
1. Die Verbundstabilität zwischen Verblend- oder Zirkoniumdioxidkeramikoberflächen und Reparaturkomposit wird durch die mechanische Oberflächenbearbeitung der Frakturstellen mittels Cimara-Steinchen (Voco GmbH, Deutschland, Hanau) verbessert.
2. Durch die Verwendung eines neu entwickelten Zirkoniumdioxid- Primers (Cimara-Zircon, Voco GmbH, Deutschland, Hanau) kann die
Problemstellung
30
Verbundfestigkeit zwischen Verblend- oder Zirkoniumdioxid- keramikoberfläche und Komposit gegenüber bisherigen Techniken (Cimara, Voco GmbH, Deutschland, Hanau) verbessert werden.
3. Durch die Verwendung des Zirkoniumdioxid-Primers kann die Hydrolysestabilität des Keramik-Kunststoffverbundes verbessert werden.
Material und Methoden
Abb. 5 – Einzelne Komponenten des Cimara-Systems. v.l.n.r. Cimara-Steinchen, Cimara-Silan, Cimara-Opaker-Flüssigkeit (Bonding Agent), Opaker für Metalle, Kunststoff
4. Material und Methoden
4.1. getestete Materialien
4.1.1. Das Keramik-Reparatur-Set Cimara (VOCO GmbH, Deutschland, Hanau) Das in dieser Studie zum Einsatz kommende Keramikreparaturset „Cimara“
eignet sich für die Reparatur von keramisch verblendetem Zahnersatz mit metallischen Gerüsten. Das Reparaturset setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Im Einzelnen handelt es sich dabei um Cimara- Steinchen, ein in Einzeldosen abgepacktes Haftsilan, lichthärtende Opakerflüssigkeit, Opaker, sowie Reparaturkomposit in drei verschiedenen Farben (Abb. 5). Die Opaker-Materialien enthalten neben Aminen und Stabilisatoren Methacrylate in Form von Bis-GMA, UDMA und MMA.
Die intraorale Anwendung des Cimara-Systems zur Reparatur von Verblendkeramiken setzt eine sichere Trockenlegung des Arbeitsbereiches voraus. Eventuell freiliegende metallische Bereiche müssen mit einem Korundschleifkörper aufgeraut werden. Die Bereiche der frakturierten Keramik müssen ebenfalls aufgeraut, und zusätzlich mit einem Diamanten angeschrägt werden. Nach Trocknung erfolgt nun die weitere Oberflächenvorbehandlung rotierend mit dem im Set enthaltenen Cimara- Steinchen drucklos bei 10.000 U/min. Diese Cimara-Steinchen nehmen laut
Material und Methoden
32
Abb. 6 – Einzelne Komponenten des Cimara-Zircon-Systems. v.l.n.r. Cimara-Zircon-Primer, Cimara-Zircon Adhaesiv, Cimara-Steinchen
Hersteller den Oberflächenabrieb auf und können daher nicht mehrfach verwendet werden.
Eventuelle Schleifrückstände müssen nun mit einem trockenen Pinsel entfernt werden. Als nächster Arbeitsschritt schließt sich das Silanisieren der Oberfläche mit Cimara-Silan an. Nach dem Auftragen auf die Frakturstelle muss das Silan für 2 Minuten an der Luft trocknen. Auf die silanisierte Oberfläche wird jetzt Opaker aufgebracht, wobei metallische Oberflächen zur optischen Abdeckung mit Opaker LC und keramische Oberflächen zur Verbundherstellung mit Cimara-Opaker, einer Bonding Flüssigkeit, behandelt werden. Anschließend wird die Opakerschicht mit Hilfe einer LED- Polymersiationslampe auspolymerisiert. Letztendlich schließt sich die plastische Rekonstruktion des Defektes mit Komposit an.
4.1.2. Cimara-Zirkon (VOCO GmbH, Deutschland, Hanau)
Für die intraorale Reparatur von vollkeramischem Zahnersatz mit Gerüsten aus Zirkoniumdioxidkeramik wurde von der Firma Voco ein weiteres Reparaturset zusammengestellt und Cimara-Zirkon genannt. Dieses Set setzt sich ebenfalls aus mehreren Komponenten zusammen. Dabei handelt es sich zum Einen um ein zwei-Flaschen Adhäsivsystem, welches aus ein Zirkon-Primer und einen Zirkon-Adhäsiv besteht. Der Zirkon-Primer enthält organische Säuren und Silan, während sich das Zirkon-Adhaesiv aus Bis- GMA, Hydroxyethylmethacrylat, TEGDMA, BHT sowie Aceton
Material und Methoden
Abb. 7 – Reparaturmaterial Grandio SO in einer Cavi-Fil Kartusche
zusammensetzt. Des Weiteren befinden sich auch die bereits in Kapitel 4.1.1. erwähnten Cimara-Steinchen im Set (Abb. 6).
Analog zur in Kapitel 4.1.1. beschriebenen Anwendungsweise wird auch hier beim intraoralen Vorgehen eine adäquate Trockenlegung vorausgesetzt. Es folgt die Konditionierung der keramischen Oberflächen mit rotierenden diamantierten Instrumenten, wobei auf ein druckarmes Vorgehen und auf entsprechende Kühlung zu achten ist. Im Anschluss werden mit dem Cimara- Steinchen alle späteren Verbundflächen ebenfalls druckarm mit 10.000 Umdrehungen pro Minute ohne Wasserkühlung behandelt. Die Entfernung von eventuellen Schleifrückständen erfolgt mit trockenen Pinseln. Im Anschluss wird der Primer auf alle keramischen Oberflächen aufgetragen und nach 60 Sekunden Einwirkzeit verblasen. Die Applikation des Adhäsives erfolgt ebenfalls auf die gesamte Verbundfläche. Nach 20 Sekunden Polymerisationsdauer kann der Defekt mit plastischen Füllungsmaterialien rekonstruiert werden.
4.1.3. Reparaturkunststoff „Grandio SO“ (VOCO GmbH, Deutschland, Hanau) Als Reparaturmaterial kam Grandio SO (VOCO GmbH, Deutschland, Hanau)
in Form von Applikationskartuschen zum Einsatz (Abb. 7). Bei diesem Material handelt es sich um ein lichthärtendes plastisches Füllungsmaterial im Sinne eines Komposites mit 89 Gewichts- prozenten Anteil an anorganischen Füllstoffen, welche in eine Matrix aus Methacrylaten eingebettet sind.
Material und Methodik
34 4.2. Studiendesign
4.2.1. Aufbau der Studie
In der vorgelegten Studie soll die Verbundstabilität zwischen Komposit und Zirkoniumdioxidkeramik sowie zwischen Komposit und Verblendkeramiken in Abhängigkeit von der Oberflächenvorbehandlung der Keramik im Scherversuch untersucht werden. Dafür wird der Einfluss von verschiedenen intraoral durchführbaren Oberflächenvorbehandlungen der keramischen Oberflächen mittels eines speziellen Steinchens, Silanisierung der Keramikoberfläche, Primerapplikation und Vorbehandlungskombinationen aus Steinchen und Silan sowie Steinchen und Primer auf die Verbundfestigkeit untersucht (Tabelle 1).
Tabelle 1 – Gruppeneinteilungen für die Teilprojekte 1 und 2
Teilprojekt 1 keine künstliche Alterung
Teilprojekt 2 Thermowechselbelastung
Versuchsreihe Verblendkeramik Zirkoniumdioxid-
keramik Verblendkeramik Zirkoniumdioxid- keramik
A
Planschliff, keine zusätzliche BehandlungGruppe AV Gruppe AZ Gruppe AVT Gruppe AZT
B
Vorbehandlung der Oberfläche mit Cimara-SteinchenGruppe BV Gruppe BZ Gruppe BVT Gruppe BZT
C
Vorbehandlung der Oberfläche mit SilanGruppe CV Gruppe CZ Gruppe CVT Gruppe CZT
D
Vorbehandlung der Oberfläche mit Silan und Cimara-SteinchenGruppe DV Gruppe DZ Gruppe DVT Gruppe DZT
E
Vorbehandlung der Oberfläche mit PrimerGruppe EV Gruppe EZ Gruppe EVT Gruppe EZT
F
Vorbehandlung der Oberfläche mit Primer und Cimara-SteinchenGruppe FV Gruppe FZ Gruppe FVT Gruppe FZT
Material und Methodik
In Abbildung 8 sind der Aufbau, Struktur und Verlaufsplan dieser Studie anhand eines Flussdiagramms schematisch dargestellt.
Material und Methodik
36
Abb. 9 – Schematische Darstellung eines Probekörpers mit eingebetteter Keramikprobe und im Plexiglasring appliziertem Komposit
4.2.2. Versuchsbeschreibung
Bei der klinischen Durchführung einer intraoralen Keramikreparatur wird der Reparaturkunststoff nach entsprechender Vorbereitung der Keramikoberfläche direkt an die Frakturstelle angetragen, ausmodelliert und polymerisiert. Um dieses Vorgehen im Laborversuch zu simulieren, werden insgesamt 240 keramische Proben benötigt. Jeweils 120 Keramikkörper aus Verblendkeramik (Duceragold, Degudent GmbH, Deutschland, Hanau) oder aus Zirkoniumdioxid (InCoris, Sirona, Deutschland, Bernsheim) werden einzeln in eine Matrix aus Epoxydharz (EpoThin Epoxy Resin, Buehler GmbH, Deutschland, Düsseldorf) eingebettet. Ein Kunststoffring (Ringform 30mm, Buehler GmbH, Deutschland, Düsseldorf) dient als Form für das Epoxydharz. Der Aushärtevorgang des Harzes erfolgt zur Vermeidung von Lufteinschlüssen unter Vakuum. Die Keramik wird nach Aushärten der Einbettmasse mit einer Planschleif- und Poliermaschine (PowerPro 5000, Buehler GmbH, Deutschland, Düsseldorf) flächenhaft bei einer Körnung von 100µm wieder freigeschliffen. Die auf diese Weise entstehende Keramikoberfläche simuliert die Keramikoberfläche nach intraoraler Anschrägung mittels rotierenden Instrumenten.
Material und Methodik
Nach entsprechender Weiterbehandlung der Keramikoberfläche gemäß Versuchsreihenzugehörigkeit wird ein Ring aus Plexiglas (Hohlsticks, Bego Dental, Deutschland, Bremen) mit einem Innendurchmesser von 3 mm auf der Keramik fixiert, in welchen das Reparaturmaterial (GrandioSO A5, VOCO GmbH, Deutschland, Cuxhaven) eingebracht und anschließend polymerisiert wird. Das Prüfkörperdesign ist in Abbildung 9 schematisch dargestellt.
Um eine standardisierte Kraftapplikation während des Abschervorgangs zu gewährleisten, werden die Proben mit einer eigens angefertigten Einspannvorrichtung in einer Universalprüfmaschine fixiert. Abbildung 10 zeigt eine Zeichnung der Einspannvorrichtung.
Es handelt sich dabei um zwei metallische Branchen, welche jeweils mit einer halbrunden Aussparung mit einem Radius von 1,5 cm versehen sind.
Der untere Teil der Einspannvorrichtung kann mittels Fixationsschrauben auf dem Probentisch der Universalprüfmaschine fixiert werden. Nach Einlegen eines Probekörpers wird der obere Anteil der Vorrichtung mit zwei weiteren Fixationsschrauben auf dem Unterteil befestigt. Auf diese Weise wird die Probe flächenbündig in der Halterung fixiert. Aufgrund der Anordnung der Probe in der Halterung trifft nun die Scherklinge (hellgrau) im rechten Winkel und in gleichem Abstand auf den auf der Keramik befestigten Plexiglasring mit der darin enthaltenen Kunststoffprobe.
Abb. 10 – Schematische Darstellung der Einspannvorrichtung für die Probekörper. Die Vorrichtung besteht aus zwei Metallkörpern (gelb) welche mit Schrauben gegeneinander und auf einer Unterlage fixiert werden können.
Material und Methodik
38
Die Proben der Gruppen AVT bis FVT sowie AZT bis FZT werden für 100 Tage in einem auf 36 °C temperierten Wasserbad eine r künstlichen Alterung unterzogen. Während dieses Zeitraumes durchläuft jeder Probekörper zusätzlich eine Thermowechselbelastung mit 5000 Zyklen bei Wasserbadtemperaturen von 5 °C und 55 °C.
Material und Methodik
4.3. Beschreibung der Prüfkörperherstellung
4.3.1. Keramikkörper aus Verblendkeramik
Für die Gruppen AV bis FV und AVT bis FVT werden insgesamt 120 Keramikkörper aus Verblendkeramik benötigt. Diese werden aus Keramikpulver (Duragold Kiss DB2, Degudent, Deutschland, Hanau) in Kombination mit der dazugehörigen Modellierflüssigkeit (Ducera Liquid, Degudent, Deutschland, Hanau) gemäß Abbildung 11 hergestellt.
Abb. 11 – Herstellungsprozess der Keramikproben aus Verblendkeramik
Material und Methodik
40
Das Verfahren entspricht dem in der Zahntechnik üblichen Vorgehen bei der Herstellung von Keramikverblendungen von Kronen und Brücken. Die Keramik wird mit Hilfe eines Pinsels in konventioneller Schichttechnik in eine Metallform (Degudent, Deutschland, Hanau) appliziert und verdichtet. Nach dem Verdichten werden die Proben direkt aus der Metallform auf einen Brennträger verbracht. Der Brennvorgang erfolgt in einem Multimat MC-II Keramikofen (Dentsply, Deutschland, Konstanz). Die Temperaturführung entspricht den Herstellerangaben der Keramik. Dafür wird der Keramikofen über einen Zeitraum von drei Minuten auf eine Temperatur von 450 °C vorgeheizt. Nach dem Einbringen der Keramikkörper in den Ofen wird innerhalb einer Minute ein Vakuum von 50 hPa aufgebaut. In den folgenden zwei Minuten wird unter Vakuum die Keramik bei einer Temperatur von 780 °C gebrannt. Während der folgenden neun Minuten kühlt der Brennofen auf die Starttemperatur von 450 °C herunter. Das en dgültige Abkühlen der Proben erfolgt außerhalb des Ofens. Die Temperaturführung ist in Abbildung 12 dargestellt.
Abb. 12 – Temperaturführungsdiagramm des Brennvorgangs der Verblendkeramik
Material und Methodik
4.3.3. Keramikkörper aus Zirkoniumdioxid
Für die Herstellung der Zirkoniumdioxidkörper wird ein Keramik-Weißling (InCoris Maxi-S, Sirona, Deutschland, Bensheim) mit den Maßen 65 mm x 40 mm x 17 mm mit einer Diamantsäge (IsoMed 4000, Buehler GmbH, Deutschland, Düsseldorf) gemäß dem in Abbildung 13 gezeigten Schnittmuster zersägt.
Abb. 13 – Herstellungsprozess der Keramikproben aus Zirkoniumdioxidkeramik
Material und Methodik
42
Abbildung 14 – Flächenbezeichnungen des Zirkoniumdioxidblockes
Zur einfachen Beschreibung des Sägevorganges ordnet Abbildung 14 den einander gegenüberliegenden Flächen des Zirkoniumdioxidblocks jeweils einen Buchstaben zu.
Zu Beginn wird der
Zirkoniumdioxidblock so in die Diamantsäge eingespannt, dass das Sägeblatt parallel zur Fläche B des Blockes ausgerichtet ist und mittig auf Fläche C auftrifft. Es wird zunächst ein Sägeschnitt von
40 mm Tiefe angelegt. Im Folgenden wird der Block um 90 Grad gedreht.
Das Sägeblatt steht nun parallel zu Fläche A. Es werden vier Schnitte mit jeweils 40 mm Tiefe angelegt, die die Fläche C in fünf gleich große Abschnitte aufteilen. Auf diese Weise entstehen zehn Keramiksäulen, die an ihrer Basis weiterhin mit dem ungesägten Anteil des Blockes in Verbindung stehen.
Nun wird der Zirkoniumdioxidblock in einer neuen Position in die Säge eingespannt. Er wird so ausgerichtet, dass das Sägeblatt parallel zu Fläche C steht und die Fläche B in einem Abstand von 2,5 mm zur Fläche C berührt.
Bei einer Schnittlänge von 30 mm werden so pro Sägeschnitt 10 Zirkoniumdioxidquader produziert. Dieser letzte Sägeschnitt wird 12 mal wiederholt.
Die auf diese Weise entstehenden Zirkoniumdioxidquader werden mit einem Hochtemperaturofen (LHT 02/17, Nabertherm, Deutschland, Lilienthal) in Verbindung mit dem Steuergerät (P 310, Nabertherm, Deutschland, Lilienthal) nach Herstellerangaben dicht gesintert. Der Sinterofen wird über einen Zeitraum von 32 Minuten auf eine Temperatur von 800°C vorgeheizt.
Anschließend wird in weiteren 47 Minuten die Brenntemperatur von 1510°C erreicht. Der Brennvorgang dauert zwei Stunden. In den folgenden 44 Minuten kühlt der Sinterofen auf 200°C herunter. Di e weitere Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt außerhalb des Ofens.
Material und Methodik
4.3.4. Herstellung der Probekörper
Die dichtgesinterten Körper aus Verblendkeramik und aus Zirkoniumdioxid werden in eine Matrix aus Epoxidharz (EpoThin R Epoxy Resin, Buehler GmbH, Deutschland, Düsseldorf) eingebettet und weiterverarbeitet (Abb. 15).
Das Epoxidharz ist ein 2-Komponenten System, dessen Basis und Härter- Flüssigkeit im Verhältnis von fünf (Basis) zu zwei (Härter) miteinander
Abb. 15 – Einbettvorgang und Herstellungsprozess der Probekörper aus Verblendkeramik und Zirkoniumdioxidkeramik
Material und Methodik
44
vermischt werden. Kunststoffringe mit einem Außendurchmesser von 30 mm (Ringform 30 mm, Buehler GmbH, Deutschland, Düsseldorf) dienen der Formgebung und ermöglichen später das Einspannen in die Schleif- und Poliermaschine (PowerProTM4000, Buehler GmbH, Deutschland, Düsseldorf). In dem auf der Silikonform fixierten Ring wird zunächst mittig ein Keramikrohling positioniert. Das angemischte Epoxidharz wird anschließend in den Ring eingefüllt. Zum Schluss werden kleine Kugeln aus Zirkoniumdioxid in das noch flüssige Harz eingestreut, welche zum Boden des Ringes absinken. Diese verhindern aufgrund ihrer Härte ein Verschwenken des Prüfkörpers beim Planschleifvorgang. Der Aushärtevorgang des Harzes findet über 24 Stunden unter Vakuum statt.
Mit Hilfe der Schleif- und Poliermaschine werden die eingebetteten Keramikkörper flächenhaft wieder freigelegt. Die Keramikoberflächen der Probekörper werden auf diese Weise mit Schleifpapier mit 100 µm Körnung bei einer Anpresskraft der Proben auf den Polierteller von 75 N aufgeraut, anschließend mit Alkohol gereinigt und im ölfreien Luftstrom getrocknet.
Anschließend werden die Zirkoniumdioxidkeramik- sowie die Verblendkeramikproben randomisiert auf die in Tabelle 1 aufgeführten Versuchsreihen A bis F verteilt. Die versuchsreihenspezifischen Unterschiede für die jeweiligen Probekörper der Reihen A bis F werden im nachfolgenden Text einzeln beschrieben.
Auf die Proben der Versuchsreihe A, bestehend aus den Gruppen AZ, AV, AZT und AVT wird Cimara-Opakerflüssigkeit (VOCO, Deutschland, Hanau) aufgetragen und für 20 Sekunden mit einer LED-Polymerisationslampe polymerisiert. Im Anschluss wird ein Plexiglasröhrchen mit einem Innendurchmesser von 3 mm auf der freigeschliffenen Keramik fixiert, in dessen Lumen dann das Reparaturkomposit (Grandio SO, VOCO GmbH, Deutschland, Hanau) aus einer Cavi-Fil Kartusche eingebracht wird. Auf diese Weise entsteht eine Verbundfläche zwischen Keramik und Komposit von 7,068 mm2. Das Komposit wird für 40 Sekunden lichtgehärtet.
