DES FACHBEREICHS MEDIZIN DER PHILIPPS-UNIVERSITÄT MARBURG Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr. U. Lotzmann
Abteilung für Zahnersatzkunde Direktor: Prof. Dr. U. Lotzmann
Bereich für Zahnärztliche Propädeutik und Kiefer-Gesichts-Prothetik Ltd. OA Prof. (apl.) Dr. M. Gente
in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort Marburg
Untersuchungen zu dem Einfluss von Verarbeitungstechniken
lichthärtender Komposite auf polymerisationsbedingte
Spannungen in Modellkavitäten
INAUGURAL-DISSERTATION zur
Erlangung des Doktorgrades der Zahnmedizin
Dem Fachbereich Medizin der Philipps-Universität Marburg
vorgelegt von
Matthias Nötzel
aus Chemnitz
DES FACHBEREICHS MEDIZIN DER PHILIPPS-UNIVERSITÄT MARBURG Geschäftsführender Direktor: Prof. Dr. U. Lotzmann
Abteilung für Zahnersatzkunde Direktor: Prof. Dr. U. Lotzmann
Bereich für Zahnärztliche Propädeutik und Kiefer-Gesichts-Prothetik Ltd. OA Prof. (apl.) Dr. M. Gente
in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH, Standort Marburg
Untersuchungen zu dem Einfluss von Verarbeitungstechniken
lichthärtender Komposite auf polymerisationsbedingte
Spannungen in Modellkavitäten
INAUGURAL-DISSERTATION zur
Erlangung des Doktorgrades der Zahnmedizin
Dem Fachbereich Medizin der Philipps-Universität Marburg
vorgelegt von
Matthias Nötzel
aus Chemnitz
Angenommen vom Fachbereich Medizin der Philipps-Universität Marburg am 24. April 2008
Gedruckt mit Genehmigung des Fachbereichs
Dekan: Prof. Dr. Matthias Rothmund Referent: Prof. (apl.) Dr. Michael Gente Korreferent: Prof. Dr. K. M. Lehmann
Den Menschen, ohne die dies alles nicht möglich gewesen wäre. Im Besonderen meiner Familie und meinen Lehrern,
die mich zu dem gemacht haben was ich bin.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 1
2. Literaturbericht 3
2.1 Polymerisationsschrumpfung 3
2.2 Polymerisation durch Licht 4
2.3 Einfluss der Kompositzusammensetzung 5
2.4 Spannungsoptische Methode 6
2.4.1 Polarisiertes Licht 6
2.4.2 Spannungsoptische Beobachtung von mechanischen Spannungen
9
2.4.3 Einsatz spannungsoptischer Methoden in der Zahnmedizin 10 2.5 Lichtinduzierte Steuerung der Polymerisationsschrumpfung von
Kompositen
12
2.6 Das Gradientenmodell 12
3. Material und Methode 15
3.1 Versuchsaufbau 15
3.2 Versuchskavitäten 19
3.2.1 Material und Herstellung 19
3.3 Komposite, Haftvermittler und Lampentypen 21 3.3.1 Verwendete Komposite und Haftvermittler 21 3.3.2 Lampentypen 22
3.4 Licht-Insert 23
3.4.1 Material und Herstellung 24
3.5 Versuchsdurchführung 25
3.5.1 Anwendung des Licht-Inserts 26
3.6 Versuchsdokumentation 27
3.7 Versuchsauswertung 27
3.8 Kalibrierung der Apparatur 29
4. Ergebnisse 33
4.1 Versuchsdurchführung 33
4.2 Vergleich Schicht-Blockfüllung 34
4.3 Füllungen mit Licht-Insert 35
4.3.1 Verwendung verschiedener Lichtquellen und Füllungsmaterialien für das Licht-Insert
36
4.3.2 Verwendung des Licht-Inserts mit und ohne Opaker und Variation der Belichtungszeit über das Licht-Insert
37
4.4 Belichtung durch Kavitätsboden A3-I 20s 60s 38
4.5 Variation der Kompositfarbe 39
4.6 Vergleich 1000 Sekunden und 24 Stunden Werte 40
5. Diskussion 41
5.1 Vergleich Schicht – Blockfüllung 41
5.2 Füllungen mit Licht-Insert 43
5.2.1 Verwendung verschiedener Lichtquellen und Füllungsmaterialien für das Licht-Insert
43
5.2.2 Variation der Vorbelichtungszeit über das Licht-Insert 47 5.3 Belichtung durch Kavitätsboden A3-I 20s 60s 49
5.4 Variation der Kompositfarbe 51
5.5 Vergleich 1000 Sekunden und 24 Stunden Werte 53 5.6 Zusammenfassende Wertung: Licht-Insert 55
6. Zusammenfassung 56
7. Veröffentlichungen 58
8. Literaturverzeichnis 59
9. Materialverzeichnis 70
11. Danksagung 75
12. Tabellarischer Lebenslauf 76
13. Verzeichnis der akademischen Lehrer 77
14. Ehrenwörtliche Erklärung 78
1
1. Einleitung
„Wer nicht auf Kunststoff setzt, ist auf dem Holzweg“, titelte bereits 1996 die Frankfurter Allgemeine Zeitung. Tatsächlich hat die Zahl der zahnfarbenen Restaurationen mit zunehmendem Ästhetik- und Gesundheitsbewusstsein der Patienten sowie der rasanten Entwicklung im Bereich der Füllungskunststoffe zugenommen. Mit dem Wunsch nach quecksilberfreien Zahnfüllungen werden zunehmend auch im Seitenzahngebiet großvolumige Füllungen gelegt.
Der altbewährte Füllungswerkstoff Amalgam wird vermehrt von Patienten Aufgrund toxologischer und allergologischer Bedenken abgelehnt. Mit dem steigenden Ästhetik- und Gesundheitsbewusstsein der Patienten nimmt auch von der Seite der Zahnärzte immer mehr der Wunsch nach einer Optimierung der am Markt vorhandenen Kompositmaterialien zu. So kam es in den letzten Jahren zu einer zunehmenden Intensivierung der Erforschung und Optimierung von restaurativen Füllungsmaterialien.
Den Vorteilen von Kompositmaterialien zu anderen Füllungsmaterialien stehen jedoch Probleme bezüglich ihrer Frakturresistenz, Abrasionsfestigkeit, Farbbeständigkeit und nicht zuletzt die Polymerisationsschrumpfung gegenüber. Dieser Polymerisationschrumpf kann bis zu 5% des Gesamtfüllungsvolumens je nach Kompositmaterial ausmachen. Durch diesen Volumenverlust beim Aushärten von Kompositmaterialien entstehen Spannungen im Füllungsmaterial.
Diese Spannungen sollen eigentlich durch den adhäsiven Verbund zwischen Füllungsmaterial und Zahnhartsubstanz vollständig durch die Kavitätswände aufgenommen werden. Es zeigte sich jedoch immer wieder, dass der adhäsive Verbund die durch die Schrumpfungskräfte auftretenden Spannungen direkt in die Zahnhartsubstanz einleitet und gelegentlich zu Rissen in den Kavitätswänden führt. Übersteigen jedoch die Schrumpfungskräfte die Haftkraft des adhäsiven Verbundes, so kommt es zu Mikrospalten, deren Summation zum Abriss des Verbundes zwischen Komposit und Kavitätswand führt.
Diese führen für den Patienten in erster Linie zu Beschwerden durch „pumpende Randspalten“ und nach Eindringen von Speichel und den in ihm enthaltenden Mikroorganismen zur Sekundärkaries. Dessen Folge ist über kurz
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oder lang der Füllungsverlust. Der Zahn wird erneut durch eine Füllung bzw. Aufbaufüllung versorgt und es baut sich ein Circulus vitiosus auf, an dessen Ende meist die Extraktion des betroffenen Zahnes steht.
Das Problem der Polymerisationsschrumpfung ist schon länger bekannt, und es gibt verschiedene Ansätze sie zu minimieren. Seitens der Hersteller wird der Fülleranteil der Kompositmatrix möglichst hoch gewählt, was sich aber negativ auf die Verarbeitungsqualität des Materials auswirkt.
Eine weitere Möglichkeit ist die Beeinflussung der Aushärtungsreaktion. Dabei wird der Einfluss der Lichtintensität und der Bestrahlungsdauer auf die Polymerisationsreaktion variiert, um die mit ihr im Zusammenhang stehende Spannungsentwicklung zu minimieren (Softstarttechnik).
Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit ist die Beobachtung der Spannungen, um festzustellen, ob man mit bestimmten Verarbeitungstechniken diese Spannungen beeinflussen kann. Dabei soll besonderes Augenmerk auf die Minimierung der Polymerisationsschrumpfung und die damit verbundene Verminderung der Spannungsentwicklung gerichtet und verschiedene Schichttechniken, Lampentypen und Komposittypen miteinander verglichen werden. Weiterhin soll der Einfluss von verschiedenen Verarbeitungstechniken und Belichtungszeiten auf die Spannungsentwicklung gezeigt werden.
Als Neuentwicklung wird ein eigens entwickeltes kleinvolumiges Licht-Insert eingesetzt, welches in Blockfüllungen aus Kompositmaterial verwendet wird. Die Spannungsentwicklung der hergestellten Füllungen wird den Ergebnissen bisher empfohlener Verarbeitungstechniken gegenüber gestellt.
Zur Beobachtung und Bewertung der entstehenden Spannungen wird ein spannungsoptischer Versuchsaufbau genutzt. So werden die Spannungen in Modellkavitäten nachgewiesen und ihr Anwachsen unmittelbar während des Polymerisationsvorgangs zu jedem Zeitpunkt beobachtet. Der für diese Messmethode eigens entwickelte Versuchsaufbau ermöglicht eine quantitative Erfassung der Spannungen und bietet sich daher zum Vergleich von verschiedenen Verarbeitungstechniken, Belichtungszeiten, Kompositmaterialien und Lampentypen an.
3
2. Literaturbericht
Zuerst soll ein Überblick über die Literatur gegeben werden, die das Auftreten, das Ausmaß und die Richtung des Schrumpfes bei der Polymerisation von Komposit beschreibt. Im Folgenden werden Untersuchungen zur Verarbeitung, Belichtung und Zusammensetzung von Kompositmaterialien vorgestellt. Wegen des enormen Umfanges der Literatur soll nur auf die für die geplanten Untersuchungen besonders relevant erscheinenden Literaturstellen eingegangen werden.
2.1 Polymerisationsschrumpfung
Alle handelsüblichen Kompositmaterialien zeigen eine gewisse Volumenschrumpfung bei ihrer Polymerisation. Wird ein lichthärtendes Füllungsmaterial in die präparierte Kavität eingebracht und belichtet, startet der Polymerisationsvorgang. Dabei kann das Kompositmaterial in verschiedenen Phasen (auspolymerisiert, gelartig, fließfähig) gleichzeitig vorliegen. Die fließfähige Phase kann unter Umständen Kontraktionen der Gelphase kompensieren. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn der Intensitätsabfall des Lichtes im Inneren der Kompositprobe so stark ist, dass die Polymerisation am Ort des Lichteinfalls begonnen hat, während die Dosis am anderen Ende der Probe noch nicht zur Ausbildung der Gelphase geführt hat (Sommer und Gente, 1999). Kawaguchi (1994); Asmussen und Peutzfeld (1999); Bouschlicher und
Boyer (1999); Hadechny (1999); Amaral et al. (2001) beschreiben, dass die
Richtung der Polymerisationschrumpfung abhängig von der Lichtrichtung, der Dicke und dem Verbund des Komposits zur Kavitätswand ist. Die Übertragung der Spannungen der Kompositschrumpfung auf die Kavitätswände führen zu einer Deformation dieser. Die Deformation der Kavitätswände bewirkt eine Verringerung des Kavitätsvolumens (Suliman und Boyer 1991, 1992; Versluis 1996). Kommt es durch die deutliche Polymerisationsschrumpfung zum Abriss der Füllung vom Zahn, so führt das in den meisten Fällen zu der Ausbildung eines Randspaltes. Hält der Haftverbund zwischen Füllung und Zahn während des Abbindens kommt es zu Ausbilden von Eigenspannungen im
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Füllungsmaterial, die durch ein Fließen und Kriechen des Materials zur Wand hin kompensiert werden können. Übersteigen die Eigenspannungen des Füllungsmaterials durch mangelnde Verformbarkeit die Haftungsfähigkeit zum Schmelz oder Dentin, reißt die Füllung von der Wand ab und es kann zur Ausbildung von Randspalten kommen (Soltesz 1998). Um die Ausbildung eines Randspalts zu verhindern, müssen also die Spannungen vermieden werden. Eine Spannungsminderung ist erzielbar durch eine Verlängerung der Fließphase während der Polymerisation des Kunststoffes. Nach Ernst (1997) resultiert aus einer reduzierten Polymerisationsrate durch das Auftreten einer erhöhten Fließrate eine verminderte Kontraktionsspannung. Mit einer steigenden Restaurationsgröße zeigt sich weniger Spannung in allen Kompositen, jedoch mehr Spannung im Zahn, weil das Trägermaterial sich verkleinert (McCullock 1986; Pearson et al. 1989; Versluis 2001).
2.2 Polymerisation durch Licht
Neben der Polymerisationsschrumpfung und die sich daraus entwickelnden Kontraktionsspannungen wird auch der Konversionsgrad unmittelbar durch die Lichtwellenlänge, die Lichtintensität und die Belichtungszeit beeinflusst.
Danesh et al. (1994), Goracci et al. (1996) und Hentschel (1998) bemerken, das
die Durchhärtung von der Geräteleistung, dem Spektralbereich der Lichtquelle, dem unterschiedlichen Absorbtions- und Streubereiches des Lichtes und den Inhaltsstoffen des Komposits (Füller, Pigmente) abhängig ist. Hierbei spielt die Strahlungsenergie den entscheidenden Einfluss, die vom Initiatorsystem des Komposits absorbiert wird.
Die Kontraktionsspannung vermindert sich durch die erhöhte Fließrate bei der reduzierter Polymerisationsrate (Ernst et al. 1997). Nach Uno und Asmussen (1991), Feilzer (1995), Ernst (1997), Hentschel (1998) und Sakaguchi (1998) trägt eine verringerte „Polymerisationsintensität“ zum besseren Verbund des Komposits am Zahn und zu einer verbesserten Adaption bei. Es kommt zu größeren Spannungen bei erhöhter Lichtintensität, da der Gelpunkt der Komposite rasch erreicht ist und nach diesem Zeitpunkt kein Spannungsausgleich mehr durch Fließvorgänge erfolgen kann
5
(Vogel et al. 2003). Die besten Resultate zur Verminderung der Kontraktionskraft erzielte man bei einer eine Startbelichtung mit niedriger Lichtintensität, gefolgt von einer Phase ohne Belichtung und einer Schlussbelichtung, die von kurzer Dauer aber hoher Intensität war. Die Aushärtung mit niedrigen Lichtintensitäten bei längeren Perioden beeinflusst nicht die physikalische Festigkeit, vergrößert jedoch den Grad der Umwandlung und verkleinert die Spannungsentwicklung (Lösche 1993, 1998 ; Suh et al. 1998; Venhoven et al. 1998; Watts 1999).
2.3 Einfluss der Kompositzusammensetzung
Die Füllkörpergröße, die Initiatorkonzentration und das E-Modul von Kompositwerkstoffen haben Einfluss auf die Polymerisationschrumpfung. Während der Aushärtungsphase sind gefüllte Komposite weniger fähig, die entstehende Spannung in der frühen Aushärtungsphase zu reduzieren und so den Verbund zum Zahn zu erhalten. Bouillaguet (2001) und Chen et al. ( 2001) geben an, dass die Monomerstruktur und die Kunststoffmatrix wichtige Faktoren bei der Schrumpfung sind. Verspannungen und schnell auftretende Stressentwicklung können zum Versagen des Haftverbundes zwischen Füllung und Zahn führen.
Hochgefüllte und photopolymerisierbare Komposite zeigen weniger Volumenveränderung als autopolymerisierbare Materialien Condon (1997) und
Kürschner (1998). Der Fülleranteil des Feinstpartikelhybrids kann zur
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erhöht werden, was eine verringerte Elastizität und Schrumpfungskompensation nach sich zieht (Miara und Zyman 1998). Hierbei stellt sich eine Partikelgröße von 0,7-1µm durch gute Kompositeigenschaften als erfolgsversprechend heraus (Krishnan und Yamuna 1998). Bei lichtgehärteten Kompositen steigt mit zunehmender Initiatorkonzentration und hoher Belichtungszeit die Mikrohärte an. Um eine gute Zugfestigkeit im Kompositwerkstoff zu erhalten erwiesen sich eine Initiatorkonzentration von 0,25-0,5% mit einer Belichtungszeit von 30s als optimal. Komposite mit hohem E-Modul (Hybridkomposite) entwickeln deutlich höhere Kontraktionskräfte als Materialien mit geringerem E-Modul wie
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beispielsweise Mikrofüllerkomposite Roulet (1994), Sakaguchi et al. (1997) und
Hakki et al. (2001).
Hochgefüllte Komposite sind nach Dubos (2001) günstiger zu bewerten, da eine Reduktion des Verdünnungsmittels in Kompositen signifikant den Stress vermindern kann.
2.4. Spannungsoptische Methode
Die Spannungsoptische Methode ist ausführlich von Klingler (2004) in ihrer Anwendung zur Bestimmung der Spannungen im Kavitätenmaterial beschrieben worden. Im Folgenden werden deswegen nur zusammenfassend die wichtigsten Aspekte der Arbeit Klingler dargestellt.
Die Spannungsoptik basiert darauf, dass lichtdurchlässige Materialen unter dem Einfluss mechanischer Spannungen einen doppelbrechenden Effekt zeigen. Dieser ist für unterschiedliche Materialen verschieden stark ausgeprägt. Die Doppelbrechung kann unter Verwendung polarisierten Lichtes dargestellt und beobachtet werden.
2.4.1 Polarisiertes Licht
Licht wird in der klassischen Physik als eine elektromagnetische Welle beschrieben. Die elektromagnetische Welle ist eine transversale Welle, d.h. der E und der B-Vektor *) schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Deswegen können Lichtwellen polarisiert werden. Aus einem Gemisch interschiedlicher Schwingungsebenen kann mittels eines Polarisationsfilters gezielt eine Schwingungsebene des Lichtes herausgefiltert werden. In Abb. 1 ist schematisch eine solche polarisierte Welle dargestellt.
*) E-Vektor: Vektor des elektrischen Feldes B-Vektor: Vektor des magnetischen Feldes
7
Abb. 1: Linear polarisierte Welle
Für die Wellen gilt das Superpositionsprinzip, d.h. für die Ausrichtung und Stärke des Feldes gilt das Prinzip der einfachen Vektoraddition. Daraus ergibt sich eine weitere spezielle und in der Anwendung bedeutsame Polarisationsmöglichkeit:
Die Addition von zwei Wellen E1 und E2 gleicher Wellenlänge, deren
Schwingungsebenen senkrecht zueinander stehen und deren Phasenlage sich um Uϕ=λ/4 unterscheidet, ergibt eine um die Ausbreitungsrichtung rotierende „Polarisationsebene“. Der Wellenvektor rotiert schraubenförmig um die Achse der Ausbreitungsrichtung derart, dass er eine volle Rotation nach Zurücklegung der Strecke von einer ganzen Wellenlänge ausführt (Abb. 2).
Abb. 2: Linear polarisierte Wellen E1 und E2 sowie resultierende EZ =E1 +E2.
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Erzeugt werden solche zirkular polarisierten Wellen dadurch, dass zunächst das Licht durch ein lineares Polarisationsfilter geleitet wird. Das linear polarisierte Licht wird dann mit Hilfe einer λ/4 Platte in zirkular polarisiertes Licht überführt. Das gelingt, wenn die Ausrichtung der λ/4 Platte so gewählt wird, dass sie im Winkel von 45° zur Polarisationsebene des Lichtes liegt. Hierfür stellt der Handel Kombinationsfilter zur Verfügung.
Analysiert wird zirkular polarisiertes Licht dadurch, dass es zunächst mit einer λ/4 Platte in linear polarisiertes Licht zurück verwandelt wird. Dieses kann dann durch ein lineares Polarisationsfilter analysiert werden. Auch dafür stehen geeignete Filter im Handel zur Verfügung.
9
2.4.2 Spannungsoptische Beobachtung von mechanischen Spannungen
Viele optisch durchsichtige Materialien werden unter mechanischer Belastung doppelbrechend. D.h. die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Lichtwelle hängt von ihrer Polarisationsebene ab. Dieser Effekt führt dazu, dass in einer zirkular polarisierten Lichtwelle, in der die beiden Wellen ursprünglich einen Phasenunterschied von λ/4 aufweisen, ein anderer Phasenunterschied erzeugt wird. Bei Analyse dieses veränderten Lichtes zeigen sich helle und dunkle Areale, sogenannte Spannungslinien (Isochromaten). Darin besteht ein entscheidender Vorteil gegenüber der Spannungsanalyse mit linear polarisiertem Licht, bei dem der Winkel zwischen Spannung im Modell und Polarisationsebene berücksichtigt werden müsste. Sie stellen Regionen gleicher Verspannung (genauer: gleicher Hauptspannungsdifferenzen) dar, können also als eine Art „Höhenlinien“, die die Spannungsverteilung angeben, interpretiert werden.
Abb. 3: Isochromatenbild
Mittelschnitt von einer diametral gedrückten Kugel
10
2.4.3 Einsatz spannungsoptischer Methoden in der Zahnmedizin
Spannungsoptische Untersuchungen zur Analyse von Spannungszuständen in Zähnen und Zahnersatz wurden von verschiedenen Autoren beschrieben.
Motsch et al. (1970, 1971) führten spannungsoptische Analysen an Modellen
von Zähnen durch, in die verschiedene Kavitätsformen präpariert worden waren. Da zu dieser Zeit noch kein Bonding zwischen Füllung und Zahn möglich war, war für ihn die Spannungsverteilung im Kavitätsmaterial zur Vorbeugung gegen Höckerfrakturen von besonderem Interesse. Motsch arbeitete mit zirkular polarisiertem Licht. Die so erzeugten Isochromaten geben Auskunft über die Spannungsverteilung im Modell des Zahnes. Er belegte, dass eine abgerundete Kavitätsform gegenüber scharfkantigen Präparationsform eine günstigere Spannungsverteilung ergibt. Er konnte mit Hilfe des „Kugel-Deformationsverfahrens“ die Hauptspannungsrichtungen im Inneren des Modells bestimmen.
Auch Klötzer (1964, 1966) beschrieb die Verteilung von Druck- und Zugspannungen in Prothesen-Modellen aus Araldit B, wenn diese belastet werden. Er verwendet ebenfalls eine spannungsoptische Messeinrichtung mit zirkular polarisiertem Licht.
Als Levy et al. (1969) dreidimensionale spannungsoptische Untersuchungen an Jacketkronen durchführte, stellte er fest, dass der Zahn einem maximalen Druck mit einem Minimum an „Formvolumen“ widerstehen kann. In einem anschaulichen Vergleich stellt er Isochromaten gleichsam als „Höhenlinien gleicher Beanspruchung“ dar.
1997 untersuchte Ernst die durch die Polymerisationsschrumpfung erzeugte Spannung im Kavitätsmaterial, die immer dann entsteht, wenn das Komposit mit der Kavität durch ein geeignetes Bonding verbunden wird. Dazu präparierte er zylindrischen Kavitäten von 5 mm Durchmesser in einer 3 mm starken Plexiglas-Platte. Er fand in spannungsoptischen Experimenten heraus, dass die Schrumpfung von der Methode der Bestrahlung des lichthärtenden Komposits abhängen muss. Bei reduzierter Polymerisationsrate bei
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Softstartpolymerisation entstehen wegen einer zunächst erhöhten Fliessrate des erhärtenden Komposits weniger Kontraktionsspannungen. Ernst empfiehlt eine zeitliche Verschiebung des Gelpunktes, der im Komposit eine längere Flowphase mit verzögerter Spannungsentstehung und niedrigen Endspannungswerten bewirkt.
Bauer berechnet für die von Ernst (1997) verwendete Versuchsandordnung die
vom Komposit an der Bindungsfläche zum Kavitätsmaterial auftretende Zugspannung aus dem Durchmesser der ringförmigen Isochromaten in Araldit B. Aus der Symmetrie der Versuchsanordnung leitet er ab, dass mit guter Näherung ausschließlich Zugspannungen an der Kontaktfläche Füllung-Kavitätsmaterial auftreten. Unter dieser Annahme vereinfacht sich das mathematische Modell von drei auf zwei Dimensionen. Im Ergebnis ist die Zugspannung proportional zum Quadrat des Durchmessers des Isochromatenringes x-ter Ordnung:
d f D D i x x 2 2 2 0 σ δ σ = . (2.4.3 – 1) 0 σ : Schrumpfspannung x δ : Isochromatenordnung x Dx : Isochromatendurchmesser
Di : Durchmesser der Füllung
σ
f : Spannungsoptische Konstante für Araldit B (entspricht S in Gleichung 3.1 - 2)
d: Modelldicke
Diese Gleichung ist analog Gleichung (3.1 – 3) im Kapitel 3.1 Versuchsaufbau, wobei der Messwert dem Durchmesser eines Isochromatenringes bezogen auf den Durchmesser der Füllungen entspricht.
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2.5 Lichtinduzierte Steuerung der Polymerisationsschrumpfung von Kompositen
Es ist seit langem bekannt, dass beim Aushärten von nahezu jedem handelsüblichen Kompositmaterial entstehende Polymerisationschrumpfung die Randspaltenbildung fördert. Das wurde bereits in vielen Untersuchungen in der Vergangenheit nachgewiesen.
Physikalische und chemische Modelle zur Beschreibung dieses Effektes sind jedoch in der Literatur nur wenig zu finden. Klassische Verfahren zur Bestimmung des Schrumpfes basieren auf Messungen der Dichteänderung (Soltesz 1998). Im Folgenden soll ein einfaches physikalisches Modell
(Sommer und Gente 1999) und die daraus resultierende Technik vorgestellt werden, mit welcher es gelingt, die Richtung der von der Polymerisation bewirkten Materialkontraktion zu beeinflussen und diese in Abhängigkeit von der Bestrahlung wirksam zu kontrollieren. Da dieses Modell zur Auswertung und Beurteilung der in dieser Untersuchung gewonnen Ergebnisse heran gezogen wurde, soll es im Folgenden erklärt werden.
2.6 Das Gradientenmodell
Die Bestrahlungsrichtung hat solange keinen Einfluss auf den absoluten Betrag der Volumenschrumpfung, solange eine vollständige Aushärtung gewährleistet ist. Ist die Dicke des Materials jedoch so groß, dass die Intensität des Lichtes mit zunehmender Eindringtiefe deutlich abnimmt, so sollte die Intensität I des Lichtes in Kompositen dem Lambert-Beer-Gesetzes folgen:
I=I0 e-λΔx (2.6 – 1)
I0 = Intensitäts des Bestrahlungslichts
λ = Absorbtionskoeffizient Δx = Dicke der Probe
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Definiert man nun die Lichtdosis D als Produkt aus der Intensität I und der Bestrahlungsdauer Δt, die zur vollständigen Aushärtung einer Kompositprobe mit der Schichtdicke ΔX0 notwendig ist, so ergibt sich,
D = I Δt, (2.6 – 2)
D = Lichtdosis I = Intensität
Δt = Bestrahlungsdauer.
Hieraus folgt, dass bei der Applikation einer bestimmten Lichtdosis D auf eine Schichtdicke ΔX > ΔX0 nur der Anteil mit der Schichtdicke ΔX1 an der
lichtzugewandten Seite der Kompositprobe vollständig erhärtet.
Die lichtabgewandte Seite bleibt zunächst weich. Die nun entstandene Situation wird durch das Gradientenmodell beschrieben. Es kommt im Folgenden zur Ausbildung dreier sich im Zustand unterscheidender, senkrecht zur Lichteinfallrichtung liegender, ineinander übergehender, Phasenebenen. Es sind dies von der lichteinfallenden Seite gesehen, die Phase der Dicke ΔX1, die
weitgehend auspolymerisiert ist, eine nicht mehr fließfähige, aber noch nicht ausgehärtet gelartige Phase der Dicke ΔX2 und eine plastische , noch
fließfähige Phase der Dicke ΔX3 . Die Summe der 3 Phasen ΔX1+ ΔX2 +ΔX3
ergibt die Gesamtdicke der Probe.
Wird zu einer Zeit t0 eine Lichtdosis D aus der Richtung A auf die
Komposit-probe mit der Schichtdicke ΔX > ΔX0 appliziert, kommt es solange zu keiner
Spannungsentwicklung, solange alle 3 Phasen in der Probe vorliegen.
Die plastische Phase der Dicke ΔX3 kompensiert eventuelle Kontraktionen der
beiden anderen, bereits geschrumpften Phasen, durch Nachfliesen plastischen Komposits. Bei andauernder Bestrahlung nimmt die Dicke von ΔX1 zu und die
Dicke der plastischen Phase ΔX3 ab. Die gelartige Phase ΔX2 „wandert“
scheinbar durch die Probe von der lichtzugewandten zur lichtabgewandten Seite.
14
Dreiphasenmodell zur Komposithärtung
Ausgangs-Phase (ΔX3) D<DG Zwischen-Phase (ΔX2) DV>D>DG Polymerisierte Phase (ΔX1) D>DV Wechselnder Zustand des Komposits unter Bestrahlung: plastisch Ge l harth ν (400 - 500 nm) h ν (400 - 500 nm)
Abb. 4: schematische Darstellung des 3-Phasenmodells zur Kompositthärtung
Erst mit dem Verschwinden der plastischen Phase ΔX3 ist eine
Spannungsentwicklung in Folge der Polymerisationschrumpfung zu verzeichnen. Diese wird im Wesentlichen von der noch vorhandenen Gelphase ΔX2 verursacht, da mangels plastischer Phase ΔX3 die Schrumpfung nicht mehr
durch nach fließenden Komposit kompensiert werden kann.
Dieses Gradientenmodell setzt voraus, dass während der Lichtapplikation alle 3 unterschiedliche Phasen gleichzeitig nebeneinander existieren.
Dies ist nur dann möglich, wenn der Intensitätsabfall in der Kompositprobe, wie beschrieben in Gleichung (2.6 - 1), bei definierter Probendicke so verläuft, dass die Polymerisation auf der Seite der Lichtapplikation bereits begonnen hat, während die reduzierte Lichtdosis auf der lichtabgewandten Seite nur zur Ausbildung der Gelphase führt.
Hier wurde von Sommer und Gente bereits vorausgesetzt, dass bei zunehmender Opazität des Kompositmaterials die Schrumpfung zwischen der Ober- und Unterseite reduziert werden würde.
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3. Material und Methode
Der hier verwendete spannungsoptische Versuchsaufbau ermöglicht damit erstmalig eine lückenlose, zu jedem Zeitpunkt durchführbare Beobachtung des Spannungszustandes.
Der Versuchsaufbau liefert damit quantitative auswertbare Ergebnisse zu jedem beliebigen Zeitpunkt während des Ablaufs der Polymerisation des Kompositmaterials in den Modellkavitäten. Die Versuche sind so konzipiert, das sie prinzipiell dem klinischen Vorgehen und den seitens der Hersteller empfohlenen Richtlinien entsprechen.
Um möglichst nah eine klinische Situation zu simulieren, wurde ein realistisches Kavitätsvolumen gewählt und auf die Einhaltung eines realistischen C-Faktors geachtet. Der C-Faktor stellt dabei das Verhältnis der freien Oberfläche zur gebundenen Oberfläche des eingebrachten Füllungsmaterials dar. Des Weiteren wurde die gesamte Kavitätsoberfläche gebondet und klinisch etablierte Methoden der Kompositverarbeitung angewandt.
Die quantitative Auswertung der Beobachtungen über 7 Tage ermöglichte ein Vergleichen der verschiedenen Verarbeitungstechniken, Kompositmaterialien, Belichtungszeiten und Lampentypen.
Die Versuchsplanung wurde so ausgelegt, dass durch die Variation der verschiedenen Parameter die in der Praxis übliche Füllungstechnik simuliert werden kann.
3.1 Versuchsaufbau
Der hier verwendete spannungsoptische Versuchsaufbau ist in seiner Konzeption (Klinger und Gente 2004) neu, da er durch die Verwendung zweier verschiedener Lichtquellen die Polymerisation während der Beobachtung nicht beeinflusst und somit eine quantitative Auswertung zu jedem Zeitpunkt der Polymerisation möglich macht. Es wird das Licht einer roten LED (λ = 635 nm) zur Beobachtung der Spannungen im Kavitätsmaterial verwendet, welches durch eine Linse parallelisiert wird. Als vorteilhaft erwies sich, das Licht mittels
16
eines speziellen Polfilters in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln
(siehe 2.4.1.). Danach fällt es durch den Probekörper mit den Modellkavitäten, den nachgestellten Analysator, verschiedenen Filtern zur Verbesserung der Bildqualität und wird dann durch eine CCD-PAL-Kamera aufgenommen. Zum Abschwächen des blauen Polymerisationslichtes welches sich dem spannungsoptischen Bild überlagert, wurde ein Interferenzfilter der Kamera vorgeschalten, welcher nur Licht mit einer Wellenlänge von
λ > 600nm durchlässt. Dieser Strahlengang ist in Abb.5 dargestellt.
LED
Objektλ<500nm
Polarisator Analysator Abschwächer
CCD - Farb-Kamerachip Objektiv Kondensor Lampe (Zirkular) (Zirkular) λ=635nm Filter λ>600nm
Abb. 5: Versuchsaufbau mit Strahlengang
(nach Klingler 2004)
Die Stellung des Analysators wird im Versuchaufbau so gewählt, dass ohne Probe ein Dunkelfeld entsteht, d.h. die Schwingungsachse des linear polarisierten Lichts nach der λ/4 Platte ist senkrecht zur Achse des Analysators. Wird nun in den Strahlengang ein Körper gebracht, der aus einem optisch isotropen, durchsichtigen Material besteht, und durch äußere Kräfte mechanisch verformt wird, so resultieren daraus Spannungen in dem Material. Diese Spannungen zeigen sich im zirkular polarisierten Licht als Isochromaten. Da Isochromaten Linien gleicher Hauptspannungsdifferenz sind, ist über die Bestimmung der Isochromatenordnung die Bestimmung der Hauptspannungsdifferenz möglich. Sie erfolgt unter Anwendung der Hauptgleichung der Spannungsoptik (Schröder 1980):
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Hauptgleichung der Spannungsoptik:
(
σ σ)
dλ C
δ= 1 − 2 (3.1 - 1)
σ1/2: Hauptnormalspannungen 1/2
δ: Phasendifferenz , angegeben in Vielfachen von 2π (entspricht Anzahl der auftretenden Ordnungen) λ: Wellenlänge
C: Materialkonstante
d: Modelldicke N: Kraft (in Newton)
S: Spannungsoptische Konstante
Für ganzzahlige Vielfache ergeben sich dunkle Linien. Eine Auswertung des Isochromatenbildes anhand der dunklen Linien kann so durchgeführt werden:
Man fasst C λ
zur spannungsoptischen Konstanten S zusammen und erhält:
d S( ) 1 2 1 σ σ δ = − (3.1 - 2)
Damit ist der spannungsoptische Effekt neben der Wellenlänge vor allem vom verwendeten Material abhängig. Bei kleinem S z.B. Araldit B
(S= 11
mm * Ordnung
N
, nach Thiede Betz) ist der Effekt also sehr groß.
Zur Auswertung wird die Ordnung der jeweiligen dunklen Isochromate bestimmt. Ausgehend vom Ort der offensichtlich geringsten Verspannung wird die erste auftretende Linie als 1. Ordnung und mit zunehmender Spannung die weiteren Linien als 2. Ordnung usw. identifiziert (Gerthsen et al. 1971).
Die Anzahl der ermittelten Ordnungen ist proportional zu den Hauptnormalspannungen, d.h. je größer die Anzahl der Ordnungen um so größer die vorhandenen Spannungen im Material:
δ σ σ d S = − 2 1 (3.1 - 3).
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Zur feststellbaren, präzisen Platzierung und Fixierung aller Grundelemente des Versuchsaufbaus wurde von den Feinmechanikern der Medizinischen Werkstätten des Klinikums der Philippsuniversität Marburg eine Kunststoff-Aluminium-Konstruktion gefertigt, die in Abb.6 gezeigt wird.
LED in Halterung
Polarisator Kondensor Probe
in Halterung Objektiv mit Abschwächerund Kamera
Analysator und Filter >600nmλ
Abb. 6: Versuchsaufbau (nach Klingler 2004)
19 3.2 Versuchskavitäten
3.2.1 Material und Herstellung
Die verwendeten Probekörper mit den Modellkavitäten bestehen aus dem speziellen Epoxydharz Araldit B (Lieferant Fa. Tiedemann, Garmisch-Patenkirchen). Dieses beeinflusst die Polymerisationsebene des Lichtes, wenn es unter Spannung gerät. Hierbei zeigen sich Orte gleicher Spannung als durchgängige Linien (Isochromaten).
Zunächst wurden in Vorversuchen Form und Größe des Modellkörpers festgelegt. Die Untersuchungen, bei denen die Araldit B Plättchen
(35 x 35 x 5 mm) mit rechteckigen und runden Kavitäten getestet wurden, ergaben als günstigste Form abgerundete Kavitäten der Größe 5 x 5 x 5 mm. Dabei betrug der C-Faktor 0,92 und das Volumen der Kavität V=112 mm3. Bei diesen Abmessungen können pro Plättchen 4 Kavitäten eingefräst werden, deren Spannungsbilder sich gegenseitig nicht beeinflussen.
Abb. 7: Versuchskavität aus Araldit B
20
Für die Untersuchungen zum Spannungsverhalten nach Vorbelichtung durch den Kavitätsboden wurde eine modifizierte Form mit halber Bauhöhe verwendet. Um eine standardisierte Größe der Modellkavitäten zu erreichen, wurden diese mit einer Größe von 5x5x5mm in die Araldit B Plättchen durch maschinelles Fräsen von den Feinmechanikern der Medizinischen Werkstätten des Klinikums der Philipps-Universität Marburg hergestellt.
Nach dem Einfräsen der Kavitäten zeigten sich in diesem optisch sehr empfindlichen Material deutlich störende Eigenspannungen, der sogenannte „Nulleffekt“. Das ist eine Doppelbrechung, die ohne äußere Belastung im Modellmaterial vorhanden ist und durch die Polarisation sichtbar wird. Dieser Nulleffekt entsteht auch durch Thermo- und Diffusionsspannungen sowie Polymerisations- und Restspannungen, die durch vorherige mechanische Bearbeitung im Modellmaterial verbleiben. Zur Minimierung des Nulleffektes wurden die Probekörper aus Araldit B in einem Heißluftofen über 14h bei 140°C getempert. Dabei musste eine genaue Zeitkurve mit angepasster Erwärmung und Abkühlung eingehalten werden. Der Tempervorgang wurde mit Hilfe eines Digitalthermometers und dem Auslesen der Daten in einen PC protokolliert und eine wie in Abb. 9 dargestellte Temperaturverlaufskurve erstellt.
Abb. 8: modifizierte Form aus Araldit B in halber Bauhöhe
21 Temperaturverlaufskurve 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720 765 810 855 900 945 990 1035 10801125 11701215 12601305 1350 Zeit (min) Te m p e ra tur (°C ) Temperaturverlauf
Abb. 9: Temperaturverlaufskurve für das Tempern der Versuchskavitäten
3.3 Komposite, Haftvermittler und Lampentypen
3.3.1 Verwendete Komposite und Haftvermittler
Als Material wurde in den Versuchen ein lichthärtendes Feinhybridkomposit der Marke Arabesk TOP der Firma VOCO in den Farben I und A3 sowie ein experimentelles Kompositmaterial mit Nano-Füllkörpern verwendet. Bei diesem handelte es sich um eine Vorabversion des nun bereits auf dem Markt erhältlichen Nanokomposits der Marke Grandio der Firma VOCO.
Als Bonding wurde das lichthärtende acetonhaltige Einkomponenten-Bond SOLOBOND M (mono) der Firma VOCO eingesetzt, das im Zusammenhang mit den verwendeten Kompositen und Araldit B die besten Haftwerte zeigte. Die guten Haftwerte resultieren aus dem Anlösen der Oberfläche des Araldit B durch das im SOLOBOND M (mono) enthaltenen Acetons.
22 3.3.2 Lampentypen
Zum Aushärten der Komposite wurden verschiedene Lampentypen mit unterschiedlichen Belichtungszeiten und Lichtintensitäten verwendet. Die Halogenlampe und der blaue Festkörperlaser wurden über den gesamten Belichtungszyklus mit ihrer maximalen Leistung betrieben. Mit der Plasmalampe wurde im Bleachingmodus gearbeitet. Die Softstarttechnik kam nicht zur Anwendung.
Um eine Referenzlichtquelle zu haben, wurde die handelsübliche Halogenlampe Translux (Fa. Heraeus Kulzer, Wehrheim/Ts.) mit einer Beleuchtungsstärke von etwa 850 mW/cm² verwendet. Da das Lichtaustrittsfenster des Lichtleiters der Halogenlampe eine Fläche von 38,5mm2 besitzt, kann die Kavität pro Richtung in jeweils einem Zuge gehärtet werden, weil sie nur eine kleinere Fläche aufweist. Weiterhin kamen eine handelsübliche Plasmalampe (Apollo 95E; Fa. DMD) mit einer Beleuchtungsstärke von 800 mW/cm2 im Bleachingmodus und ein blauer Festkörperlaser (Modell Saphire 488-20; Kohärent Optics) zum Einsatz. Dieser optisch gepumpte Halbleiterlaser (OPSL-Laser) mit einer Ausgangsleistung von 20mW cw (continuous wave) und einer Wellenlänge von 488nm gehört zur Klasse VECSCEL. Diese sind Halbleiterlaser, die aus der Fläche emittieren d.h. senkrecht zur Schichtstruktur. Er stellt mit sehr geringem Applitudenrauschen (<0,25% rms (root mean square)) gegenwärtig die Technologiespitze der diodengepumpten Halbleiterlaser dar. Der Laser befindet sich mit einer Wellenlänge von 488nm nahe am Optimum des Absorptionsspektrums des Fotoinitiators Campherchinon (465-475nm) (Abb.10). Daher wird ein sehr großer Anteil der aufgewandten Energie in den Start der Polymerisationsreaktion geleitet.
In Abb.10 sind die Emissionsspektren der verwendeten Lampentypen im Vergleich zur Absorptionskurve des Fotoinitiators Campherchinons dargestellt.
23 300 350 400 450 500 550 600 Wellenlänge (nm) In te n s it ä t (% ) 100% λ I Laser Halogen Plasma A b s o rp tio n 488nm C a m p h e rc h in o n
Abb. 10: Emissionspektrum verwendeter Lampentypen mit der Absorptionskurve von Campherchinon (graue Fläche)
3.4 Licht-Insert
Als Besonderheit wurde ein eigens entwickeltes kleinvolumiges Licht-Insert (Abb. 11) eingesetzt, welches in die kompositgefüllte Kavität (Blockfüllung) auf verschiedene Weise eingebracht und über dieses sowohl passiv als auch aktiv belichtet wurde. Auf Grund des Volumenverhältnisses zwischen Modellkavität und Licht-Insert zeigte sich, dass das Licht-Insert lediglich als Minifüllkörper fungiert und nicht wie bei herkömmlichen Inserts eine Spannungsreduktion rein über das Volumen erreicht wird. Um die Wirksamkeit des neuen Insert-Typs zur Spannungsreduktion zu untersuchen, setzten wir es in verschiedener Weise in Zusammenhang mit einer Blockfüllung ein.
24
17 m
m
Licht-Insert 1,6mm
∅
V=8,6 mm³
Lichtleiter 1mm
∅
Licht-Insert 1,5mm
∅
Acrylglas Transluzentes Komposit7 mm
Blende (lichtundurchlässig)
Abb. 11: Licht-Insert mit Lichtleiter und Blende
3.4.1 Material und Herstellung
Die Licht-Inserts wurden aus einem ungefüllten transluzenten Verblendkunstoff der Fima VITA hergestellt, welches in einer vorgefertigten Silikonform mit einem Stück Lichtleiter der Fima Conrad Elektronic (∅=1.0 mm; Best.-Nr. 198439-62) zusammen polymerisiert wurde. Als Blendenmaterial diente eine schwarze lichtundurchlässige Kunststofffolie wie sie von der Firma Heraeus Kulzer zur Abdeckung der lichthärtenden Kunststoffplatten „Palatray XL“ verwendet wird.
25 3.5 Versuchsdurchführung
Anfangs wurde jede Probe mit einem Faserschreiber beschriftet.
Um eine bessere Bindung zur Kavitätswand zu erreichen, wurde die Oberfläche der Versuchskavität mit einem rosa Steinchen angeraut. Ohne diese Maßnahme wurden vermehrt Verbundfehler zwischen der Kavitätswand und dem Bondingmaterial in Form von Ablösungen sichtbar. Nach vorsichtigem Anrauen der Kavitätsoberfläche und Verlängerung der Belichtungszeit des Bondings trat dieses Problem seltener auf.
A B
Abb. 12: Optimale Haftung der Kompositfüllung am Kavitätsmaterial (Bild A), Ablösungen und auftretende Spaltbildung am Übergang
Kompositfüllung - Modellmaterial (Pfeile in Bild B)
Danach wurde das Bondingmaterial Solobond M mit einem feinen Pinsel in der abgerundeten Kavität aufgetragen, wobei zwei dünne Deckgläschen die Kavität nach den offenen Seiten abdichteten. Die Bondingschicht wird mindestens 20s mit einer Polymerisationslampe gehärtet. Das Komposit wird mittels der gewählten Verarbeitungstechnik (Block/Schicht/Insert) eingebracht.
Die Vorbelichtung erfolgte für unterschiedliche Zeiten (5/20/60 Sekunden) mit den jeweiligen Lampentypen (Halogen/Plasma/Laser). Zur vollständigen Aushärtung wurde, mit Ausnahme der in Schichttechnik applizierten Füllungen, danach jede Probe 20s jeweils von oben, hinten und vorn belichtet.
26 3.5.1 Anwendung des Licht-Inserts
Wir setzten in unseren Versuchen das in 3.4. beschriebene kleinvolumige Licht-Insert ein, welches in die kompositgefüllte Kavität (Blockfüllung) eingebracht wurde. Da sich die seitliche Positionierung und das Anbringen einer schwarzen Blende für die Vorbelichtung bewährt hatte, wurden alle Versuche mit dem Licht-Insert wie in Abb. 13 erläutert durchgeführt. „Aktiv“ bedeutet, dass die Vorbelichtung ausschließlich über das Licht-Insert und nicht wie bei „passiv“ über die gesamte Fläche der Füllung erfolgt.
27 3.6 Versuchsdokumentation
Die Versuchsdokumentation erfolgt zuerst durch Einblendung von Probennummer, Datum und Versuchsbezeichnung ins Fernsehbild, das auf Videobänder (pro Versuch 1000s Aufnahmezeit) aufgezeichnet und später mittels Computer (Bildimport vom Versuchsbeginn, sowie nach 20s, 100s, 180s, 260s und 1000s) digitalisiert wurde. Es folgte der Ausdruck dieser Bilddateien, Vermessung der Bilder nach einem eigens entwickelten Schema und nachfolgende Abschätzung der bis zum Kavitätswand auftretenden Isochromatenordnungen (Software Harvard Graphics 98). Aus der Anzahl der ermittelten Isochromatenordnungen kann auf die Spannungswerte am Übergang Füllung Kavität geschlossen werden (siehe 3.1. Gleichung 3.1 - 3).
Abb. 14: Dokumentation der spannungsoptischen Bilder
3.7 Versuchsauswertung
Die Versuchsdurchführung und Auswertung erfolgte nach der von Gente und
Klingler (2004) erarbeiteten Methode. Danach wird folgendermaßen
vorgegangen:
Die Analyse der ausgewählten Bilder erfolgte per Hand, indem die bearbeiteten Bilder ausgedruckt, Isochromatenringe markiert und ihr Abstand von der Kavitätenoberfläche gemessen wurde. Diese Werte wurden in eine Tabelle des
28
Programms Harvard Graphics 98 eingegeben, und so graphisch dargestellt. Das Maximum der Spannungsentwicklung zeigte sich am Übergang vom Kavitätenmaterial (Araldit B) zur Füllung. Die am Kavitätenrand auftretende Isochromatenordnung wurde durch Extrapolation aus der gemessenen Lage der auf dem spannungsoptischen Bild sichtbaren Isochromaten ermittelt. Diese Messung wurde an 5 Stellen des Isochromatenbildes durchgeführt
(Abb. 15). Aus diesen 5 Messungen wurde jeweils der Mittelwert gebildet, der ein Maß für die im Material vorhanden Spannungen darstellt.
Jeder Versuch wurde unter gleichen Bedingungen fünfmal durchgeführt und daraus jeweils der Mittelwert und die dazugehörige Standardabweichung berechnet (siehe Darstellung der Ergebnisse in der Diskussion).
Die eingezeichnete Standardabweichung ergibt sich aus 25 Messwerten bei jeweils fünf Wiederholungen mit gleichem Versuchsaufbau.
Die Auflistung der Einzelwerte und die Berechnung von Mittelwert und Standardabweichung ist im Anhang beigefügt.
Abb. 15: Foto mit Auswertungsmarkierungen
29 3.8 Kalibrierung der Apparatur
Als Probekörper mit den Modelkavitäten wurde ein spezielles Epoxydharz Araldit B (Lieferant Fa. Tiedemann, Garmisch-Patenkirchen) verwendet, da es als Standardmaterial für spannungsoptische Untersuchungen etabliert ist und eine kleine spannungsoptische Konstante aufweist. Es beeinflusst die Polymerisationsebene des Lichtes, wenn es unter Spannung gerät. Hierbei zeichnen sich Orte gleicher Spannung über durchgängige Linien aus.
Das E-Modul E wird vom Lieferanten mit 3500 2
mm N
E= angegeben, die Spannungsoptische Konstante S für das Licht der Na-Dampf-Lampe
(λ = 589 nm) mit mm Ordnung N S * 11 = .
Da das zur Beobachtung verwendete rote Licht der LED eine Wellenlänge von ca. λ=635 nm aufweist, mussten im Vorfeld noch die bekannten optischen Werte des Modellkavitätsmaterials auf die von uns verwendeten Versuchsbedingungen kalibriert werden. Dabei wurde die spannungsoptische Konstante unter den gewählten Versuchsbedingungen mit Hilfe des Biegebalkenversuchs bestimmt.
Durch Berechnung mit bekannten Spannungszuständen im Biegebalken für diese Versuchsanordnung gelangt man zu einer quantitativen Auswertung des spannungsoptischen Bildes.
Die Kalibrierung und zugehörige Berechnung wurde von Klingler und Gente
(2004) durchgeführt.
Im Ergebnis dieser Kalibrierung wurde für die vorliegende spannungsoptische Messeinrichtung ein Faktor von 2,34 ermittelt. Damit ergibt sich aus Gleichung (3.1 - 3): δ σ σ d S = − 2 1 (3.1 – 3) δ σ σ1 − 2 =2,34* 2 mm N (3.8 - 1).
30
Die im spannungsoptischen Bild ermittelte Ordnung gibt die an diesem Ort vorliegende Hauptspannungsdifferenz an.
Gleichzeitig berechnet sich die spannungsoptische Konstante S nach Umstellung Gleichung (3.1 - 3) zu:
(
1− 2)
=2,34* =11,65 = d d S δ σ σ mm Ordnung N * . (3.8 – 2)Der etwas abweichende Betrag von S gegenüber dem des Herstellers resultiert aus der Verwendung von rotem Licht (λ = 635nm). Dieser gibt für Araldit B unter Verwendung von Na-Licht (λ = 598nm) S = 11
mm Ordnung
N
* an.
3.9 Die Statistische Auswertung
Zur Auswertung der in den Versuchsreihen erzielten Ergebnissen und Berechnung sowie Feststellung der notwendigen Signifikanzen wurde der Kolmogoroff-Smirnoff-Test (Harten, Nägerl, Schulte 1993), auch K-S-Test genannt, angewendet.
Dieser geht davon aus, wenn zwei Verteilungen A(x) und B(x) sich voneinander unterscheiden, dann unterscheiden sich auch Ihre Summenhäufigkeiten SA(x)
und SB(x). Dies jedoch nicht überall, denn unterhalb des kleinsten Messwertes
beider Stichproben betragen sie gemeinsam null und oberhalb des größten gemeinsamen eins.
31 Zwischen ihnen hat der Betrag ihrer Differenz
|ΔS(x)| = |SA(x)-SB(x)| (3.9 - 1)
ein absolutes Maximum.
Einzige Ausnahme, beide Verteilungen sind identisch. Dieses Maximum
Δ = |ΔS|max (3.9 - 2)
dient dem K-S-Test als Prüfgröße.
Im Regelfall unterscheiden sich zwei Messreihen vor allem durch Ihre Lage und nicht durch ihre Streuung. Im entgegen gesetzten Fall können sich die Summenhäufigkeiten überschneiden. Dann wechselt ihre Differenz das Vorzeichen. Im Extremfall liegt der höchste Messwert der einen Stichprobe unter dem kleinsten der anderen. In diesem Fall erreicht die Prüfgröße ihren höchstmöglichen Wert Δ=1. Einen größeren Unterschied gibt es im K-S-Test nicht.
Die Nullhypothese des K-S-Test besagt, dass bei Übereinstimmung beide Stichproben zur gleichen Grundgesamtheit gehören. Diese Wahrscheinlichkeit wird mit P bezeichnet.
Die Prüfgröße Δ wird umso größer, je kleiner P vorgegeben wird. Umso stärker man die Nullhypothese zurückweisen will, desto weiter müssen die Verteilungen auseinander liegen.
Beim K-S Test werden beide Stichproben nicht getrennt bewertet, sondern die aus ihnen resultierende Summe
∑n = nA + nB (3.9 - 3)
wird als Parameter in der Prüftabelle verwendet. Gefragt wird hierbei nach den oberen Schranken D(P), die von der Prüfgröße Δ überschritten werden müssen,
32
wenn die Nullhypothese auf das Signifikanzniveau P zurückgewiesen werden soll.
Die Anforderungen des K-S-Test an den Stichprobenumfang sind sehr gering. Es sind Aussagen ab∑n=4 möglich.
∑n P= 5% 1% 4 4 - 5 5 5 6 5 6 7 6 6 8 6 7 9 6 7 10 7 8
Abb.: 16: Tabelle mit den Produkten D(P) * ∑n für K-S-Test nach „Statistik für Mediziner“
Ab
∑
n=35 verwendet man Näherungen. Um diese Näherung zu verwenden, berechnet man die Hilfsgröße K, indem man die Prüfgröße Δ mit∑
n multipliziert und liest dann in der Tabelle den Bereich der Wahrscheinlichkeit P ab.∑
Δ = n K * (3.9 – 4) K: HilfsgrößeP : Wahrscheinlichkeit der Nullhypothese
Prüfgröße Δ : Betrag der maximalen Differenz der beiden relativen Summenhäufigkeiten
Parameter ∑n: Summe der Umfänge beider Stichproben
33
4. Ergebnisse
4.1 Versuchsdurchführung
Die durch die Polymerisationsschrumpfung erzeugten Spannungen werden mit der beschriebenen Versuchsanordnung dargestellt und quantitativ ausgewertet. Zuerst sollte geprüfte werden, ob der Versuchsablauf sich dafür eignet, verschiedene Methoden der Füllungstechnik bzgl. der Spannungen miteinander zu vergleichen. Deshalb wurde in den ersten Versuchsreihen (Vergleich Schicht-Blockfüllung) untersucht, ob anerkanntes Wissen über die Reduzierung der Spannungsentwicklung bei verschiedenen Methoden der Füllungstechnik mit der hier vorgestellte Apparatur reproduziert werden kann. Es folgten Tests mit verschiedenen Lampen- und Komposittypen. Weiterhin wurden verschiedene Füllungstechniken mit unterschiedlichen Belichtungszeiten untersucht. Als Besonderheit setzten wir ein Licht-Insert (Gente und Sommer 1999) im Zusammenspiel mit Blockfüllungen ein, um dessen Auswirkungen auf die Polymerisationsschrumpfung festzustellen.
Der Übersichtlichkeit halber werden die Spannungen in Ordnungen angegeben. Jede Ordnung entspricht 2,34 MPa (siehe 3.8 Kalibrierung der Apparatur).
Alle Proben wurden zu Beginn der Versuchsreihe mit Nummer, Lampentyp, Kompositmaterial, Applikationstechnik, Polymerisationsmethode und Datum versehen. Dies geschah sowohl auf dem Probenmaterial durch einen wasserfesten Faserschreiber, als auch im Videoband mittels einer Texteinblendung in das Videobild. Nachdem alle Geräte angeschlossen und in Betrieb genommen wurden, folgte die Vorbehandlung der Araldit B-Plättchen, mit Solobond S, einem azetonhaltigem Bondingmaterial. Anschließend wird das Komposit mit einem Planstopfer in üblicher Weise gleichmäßig in die Kavität eingefüllt. Zwei Deckgläser verhindern das seitliche Herausquellen des Materials.
Versuchsbeginn nach 100s nach 180s nach 1000s nach 24h
Abb. 17: spannungsoptische Bilder derselben Kavität zeigen den zunehmenden Spannungsaufbau
34 4.2 Vergleich Schicht- Blockfüllung
Bei der Blockfüllung wurde die Kavität komplett mit Komposit der Marke Arabesk Top (Farbe A3) aufgefüllt (Blockfüllung) und aus den drei Richtungen oben, vorne, hinten für jeweils 20s mit der Halogenlampe belichtet.
Die Schichttechnikstellt die zweite Möglichkeit zur Applikation des Füllmaterials dar. Dabei wurde das Komposit in 2 bis 5 geraden Schichten eingebracht und jede Schicht okklusal 20s polymerisiert. Die Schichtdicke verringerte von ca. 2,5mm bei 2 Schichten auf 1,0mm bei 5 Schichten.
Die Fehlerindikatoren geben die Standardabweichung der Mittelwerte jeder Messreihe an.
Die Probenanzahl pro Versuchsreihe belief sich auf n=5. Die Diskussion dieser Ergebnisse erfolgt unter 5.1.
Abb. 18: Vergleich Schichttechniken: Die Säulenhöhe gibt die Spannung am Übergang zwischen Kavitätsmaterial und Komposit in Ordnungen nach 1000s an.
Vergleich Schicht-Block nach 1000s; Farbe A3 3,8 3,5 3,2 2,8 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Block 2 Schichten 3 Schichten 5 Schichten Ordnungen
35 4.3 Füllungen mit Licht-Insert
Bei den Versuchsreihen, in denen das Füllmaterial mittels eines speziellen Licht-Inserts (Gente und Sommer 1999) vorbelichtet wurde, wurde das
Licht-Insert seitlich schräg im plastischen Füllungsmaterial eingebracht. Diese Position des Licht-Inserteinsatzes ergab sich als günstigste bei den Versuchen zur Entwicklung der Versuchsapparatur (Klingler 2004), wobei aus verschiedenen Variationen in mehreren Licht-Insert-Versuchserien
(aktiv - passiv, Blende - keine Blende, mittig - seitlich) die jetzt gewählte Anordnung die geringsten Spannungen erzeugte.
Eine weitere Variation zur Optimierung des Licht-Insert war die Applikation eines handelsüblichen Keramikopakers der Firma Heraeus Kulzer an der Spitze des Licht-Inserts zur Optimierung der seitlichen Lichtabstrahlung.
Die Vorbelichtung erfolgte dabei für 20s über den aus Acrylglas bestehenden Lichtleiter, über den eine Blende geschoben wurde, so dass das Licht der Vorbelichtung ausschließlich über das Licht-Insert in die Füllung eindrang und eine direkte Belichtung der Füllung ausgeschlossen war.
Abb. 19: seitlich schräge Position des Licht-Inserts in Blockfüllung der Modellkavität mit Blende
36
4.3.1 Verwendung verschiedener Lichtquellen und Füllungsmaterialien für das Licht-Insert
Bei der Verwendung verschiedener Lichtquellen wurden Blockfüllungen aus verschiedenen Füllungsmaterialien (Arabesk Top (Farbe A3 und I), experimentelles Nanokomposit (beide Firma VOCO)) über das Licht-Insert 20s mit verschiedenen Lampentypen (Laser, Halogen, Plasma) vorbelichtet.
Die Vorbelichtung erfolgte dabei für 20s über den aus Acrylglas bestehenden Lichtleiter, über den eine Blende geschoben wurde, so dass das Licht der Vorbelichtung ausschließlich über das Licht-Insert in die Füllung eindrang und eine direkte Belichtung der Füllung ausgeschlossen war.
Abschließend wurden alle Füllungen von oben, hinten und vorn jeweils mit 20s mit der Halogenlampe vollständig ausgehärtet.
Die Probenanzahl pro Versuchsreihe belief sich auf n=5.
Der letzte Balken enthält die Messwerte mit einem experimentellen Nano Komposit der Firma VOCO (Abb. 20).
Die Fehlerindikatoren geben die Standardabweichung der Mittelwerte jeder Messreihe an.
Die Diskussion dieser Ergebnisse erfolgt unter 5.2.1.
Abb. 20: Vergleich Lampentypen: Die Säulenhöhe gibt die Spannung am Übergang zwischen Kavitätsmaterial und Komposit in Ordnungen nach 1000s an.
Laser-Plasma mit Licht-Insert 20s nach 1000s; Farben I und A3
2,7 2,7 2,8 3,3 3,4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Laser-I-20s Laser-Opaker-I-20s Laser-Opaker-A3-20s Plasma-Opaker-A3-20s Laser-Opaker-Nano-20s Ordnungen
37
4.3.2 Verwendung des Licht-Inserts mit und ohne Opaker und Variation der Belichtungszeit über das Licht-Insert
Eine Variante bei der Vorbelichtung von Blockfüllungen mittels des Licht-Inserts war das Aufbringen von lichtundurchlässigem Opaker auf die Spitze des Licht-Insert. Es sollte gezeigt werden, welchen Einfluss diese Optimierung der Lichtemmission des Licht-Inserts auf dessen Wirkungsweise hat. Bei der Untersuchung wurde als Füllungsmaterial Arabesk Top (Farbe I) verwendet und die Blockfüllungen über das Licht-Insert mit und ohne Opaker 5s, 20s und 60s mit dem blauen Laser (Wellenlänge λ=488 nm) vorbelichtet.
Abschließend wurden alle Füllungen von oben, hinten und vorn jeweils für 20s mit der Halogenlampe vollständig ausgehärtet.
Die Probenanzahl pro Versuchsreihe belief sich auf n=5.
Die Fehlerindikatoren geben die Standardabweichung der Mittelwerte jeder Messreihe an.
Die Diskussion dieser Ergebnisse erfolgt unter 5.2.2.
Abb. 21: Vergleich mit und ohne Opaker: Die Säulenhöhe gibt die Spannung am Übergang zwischen Kavitätsmaterial und Komposit in Ordnungen nach 1000s an.
Einfluss des Opakers am Lichtinsert - Laser 5-20-60s nach 1000s; Farbe I 3,2 3 2,7 2,7 2,6 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Laser-5s Laser-Opaker-5s Laser-20s Laser-Opaker-20s Laser-60s Laser-Opaker-60s Ordnungen
38
4.4 Belichtung durch den Kavitätsboden (Farben A3 und I, 20s, 60s)
Bei der Untersuchung des Einflusses der Vorbelichtung durch den Kavitätsboden wurden verschiedene Vorbelichtungszeiten von 20s und 60s verwendet. Als Versuchskavitäten kam hier eine modifizierte Version der ursprünglichen Versuchskavität mit halber Bauhöhe zum Einsatz um eine geringere Materialhöhe zu haben, welcher vom blauen Licht der Halogenlampe durchstrahlt werden musste (siehe Abb. 8). Als Füllungsmaterial wurde Arabesk Top in den Farben A3 und I untersucht, welches als Blockfüllung in die Kavitäten eingebracht wurde. Abschließend wurden alle Füllungen von oben, hinten und vorn jeweils für 20s mit der Halogenlampe vollständig ausgehärtet. Die Probenanzahl pro Versuchsreihe belief sich auf n=5.
Die Fehlerindikatoren geben die Standardabweichung der Mittelwerte jeder Messreihe an. Für die Farbe I mit 20s und 60s Vorbelichtungzeit konnte keine Standardabweichung berechnet werden, auf Grund nur einer einzigen auswertbaren Messreihe. In den übrigen Messreihen dieses Versuchaufbaus kam es auf Grund hoher Spannungsentwicklung zum teilweisen oder vollständigen Abriss der Kompositproben in den Modellkavitäten. Die Diskussion dieser Ergebnisse erfolgt unter 5.3.
Abb. 22: Vergleich Belichtung durch Kavitätsboden: Die Säulenhöhe gibt die Spannung am Übergang zwischen Kavitätsmaterial und Komposit in Ordnungen nach 1000s an.
Belichtung durch den Kavitätenboden 20s - 60s Farben A3 und I; nach 1000s
3,9 3,7 3,6 3,3 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 20s - I 20s - A3 60s - I 60s - A3 Ordnungen
39
4.5 Variation der Kompositfarbe (Licht-Insert)
Bei der Verwendung verschiedener Kompositfarben wurde als Füllungsmaterial Arabesk Top in den Farben A3 und I miteinander verglichen. Diese wurden über das Licht-Insert 5s, 20s und 60s mit dem blauen Laser
(Wellenlänge λ=488 nm) vorbelichtet.
Abschließend wurden alle Füllungen von oben, hinten und vorn jeweils für 20s mit der Halogenlampe vollständig ausgehärtet.
Die Fehlerindikatoren geben die Standardabweichung der Mittelwerte jeder Messreihe an.
Die Probenanzahl pro Versuchsreihe belief sich auf n=5. Die Diskussion dieser Ergebnisse erfolgt unter 5.4.
Abb. 23: Vergleich verschiedener Kompositfarben: Die Säulenhöhe gibt die Spannung am Übergang zwischen Kavitätsmaterial und Komposit in Ordnungen nach 1000s an.
Variation der Kompositfarben I und A3 Laser; nach 1000s 3,02 2,96 2,75 2,74 2,56 2,51 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Opaker-I-5s Opaker-A3-5s Opaker-A3-20s Opaker-I-20s Opaker-A3-60s Opaker-I-60s Ordnungen
40
4.6 Vergleich 1000-Sekunden- und 24-Stunden-Werte
Beim Vergleich der 1000-Sekunden- und 24-Stunden-Werte wurden die Proben nach 24 Stunden trockener Lagerung erneut mit der beschriebenen Methodik ausgewertet und die Werte mit den 1000-Sekunden-Werten verglichen, um das Verhalten der Proben im weiteren Zeitverlauf zu dokumentieren.
Die Probenanzahl pro Versuchsreihe belief sich auf n=5.
Die Fehlerindikatoren geben die Standardabweichung der Mittelwerte jeder Messreihe an.
Die Diskussion dieser Ergebnisse erfolgt unter 5.5.
Abb. 24: Vergleich der 1000s und 24h Werte: Die Säulenhöhe gibt die Spannung am Übergang zwischen Kavitätsmaterial und Komposit in Ordnungen an.
Die 24h Werte für Block Farbe A3 mit Vorbelichtung waren nicht auswertbar, da in Folge weiterer Spannungsentwicklung abgerissen.
Vergleich 1000s - 24 Stunden Werte
2,6 2,8 3,8 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Laser-Opaker-A3-60s-1000s Laser-Opaker-A3-60s-24h Block-A3-20s-1000s Block-A3-20s-24h Ordnungen
41
5. Diskussion
In der hier vorgestellten Untersuchung erweist sich die Spannungsoptik als bewährte Methode zur Analyse und Erfassung von Spannungen. Daher kann diese Methodik für werkstoffkundliche Untersuchungen in der Zahnheilkunde genutzt werden. Das Besondere am hier verwendeten Versuchsaufbau ist, dass gleichzeitig zwei verschiedene Lichtquellen verwendet werden.
Komposit mit kurzwelligem blauem Licht zu härten und die Spannungsentwicklung im roten Licht zu beobachten, wurde in der Literatur bisher noch nicht beschrieben. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass die Nutzung des roten Lichtes eine Kalibrierung der Apparatur erfordert, da sich die Angaben der Literatur auf gelbes Licht beziehen. Gelbes Licht besitzt eine kürzere Wellenlänge (Na-Dampflampe λ=589 nm).
Im Folgenden sollen die mit den vorstehend beschriebenen Versuchen erzielten Ergebnisse diskutiert werden. Dazu wird das von Sommer und Gente (1998) beschriebene Gradientenmodell als Grundlage benutzt.
5.1 Vergleich Schicht – Blockfüllung
Die hier gewonnen Ergebnisse (Abb. 30) bestätigen die in vorausgegangenen Untersuchungen (Kawaguchi (1994); Asmussen und Peutzfeld (1999);
Bouschlicher und Boyer (1999); Hadechny (1999); Amaral et al. (2001))
gewonnen Erkenntnisse und die seither auch allgemein gültige Lehrmeinung, dass die Polymerisationschrumpfung durch zunehmende Anzahl der Schichten und gleichzeitiger Reduzierung der einzelnen Schichtdicken signifikant reduziert werden kann. Die Theorie des Gradientenmodells wird bestätigt, da es bei zunehmender Anzahl der Schichten und gleichzeitiger Abnahme der Schichtdicke nicht zur gleichzeitigen Ausbildung der drei Phasen (fest/gelartig/unverfestigt) kommen kann. Durch die geringe Schichtdicke (< 3mm) der einzelnen Schicht, kommt es beim Zwischenhärten mit blauem Licht zur vollständigen Durchleuchtung und somit kompletten Aushärtung des Inkrements.
42
Eine Spannungsinduzierende „Polymerisationsfront“ mit den 3 Phasen wird nicht ausgebildet.
Damit konnte die bekannte Tatsache, dass mit steigender Anzahl der eingebrachten Schichten die Spannung verringert werden kann, ebenfalls nachgewiesen werden. Die Ergebnisse bestätigen durch die Übereinstimmung mit anderen Autoren die Aussagesicherheit des Messaufbaus und der Auswertung der nachfolgenden Testserien.
Abb. 25: Vergleich Schichttechniken: Die Säulenhöhe gibt die Spannung am Übergang zwischen Kavitätsmaterial und Komposit in Ordnungen nach 1000s an.
Die Abnahme zwischen den gemessenen Spannungen für die Blockfüllung und 3 bzw. 5 Schichten sind bei einer Irrtumswahrscheinlichkeit von p=0,01 (KS-Test) signifikant.
Vergleich Schicht-Block nach 1000s; Farbe A3 3,8 3,5 3,2 2,8 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Block 2 Schichten 3 Schichten 5 Schichten Ordnungen
43 5.2 Füllungen mit Licht-Insert
Im Folgenden werden die Untersuchungsergebnisse diskutiert, die unter Verwendung des Licht-Inserts als neues Verfahren zur Reduzierung der Kompositschrumpfung und der damit verbundenen Spannungsentwicklung durchgeführt wurden.
5.2.1 Verwendung verschiedener Lichtquellen und Füllungsmaterialien für das Licht-Insert
Die hier durchgeführten Versuchsreihen mit dem Licht-Insert zeigten einen signifikanten Einfluss der bei der Vorbelichtung verwendeten Lichtquellen. Durch die Vorbelichtung der Blockfüllungen von 20 Sekunden mit dem Laser über das Licht-Insert werden Spannungswerte erreicht, die vergleichbar mit den Werten von Schichtfüllungen mit 5 Schichten sind. Dagegen entstanden in Blockfüllungen mit Licht-Insert, welche über die Plasmalampe 20 Sekunden vorbelichtet wurden, signifikant höhere Spannungswerte, die nur Schichtfüllungen mit 3 Schichten entsprechen.
Die hier erzielten Ergebnisse lassen vermuten, dass der im Vergleich zur Plasmalampe etwa 10fach höhere Energieeintrag des Festkörperlasers zur Minderung der Ausbildung der Gelphase in der Polymerisationsfront beiträgt. Das hat 2 Gründe:
Erstens ist anzunehmen, dass durch die große Nähe der Wellenläge des emittierten Lichts des Lasers von λ=488 nm zur Anregungsfrequenz des Champferchinons von λ=475 nm und der hohen Energiedichte ein Maximum an Energie in den Start der Polymerisation und somit zu einer sehr großen Anzahl von Polymerisationskeimen führte. Im Gegensatz dazu - wie bereits im Kapitel Material und Methode Abb. 10 beschrieben - liegt der Emissionsbereich der Halogenlampen bei λ=380-500 nm und der Plasmalampen bei λ=430-520 nm. Die ohnehin schon größere Energiedichte des Lasers trägt daher zu fast 100% zur Anregung des Champferchinons und somit zum Start der Polymerisationsreaktion bei.
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Zweitens spielt der Querschnitt des Lichtleiters vom Licht-Insert eine entscheidende Rolle. Dieser beträgt ca. 0,7 mm2. Die Gesamtleistung der Halogen- und Plasmalampe von ca. 800 mW beziehen sich auf eine Fläche
von 1 cm2. Berücksichtigt man nun den geringen Querschnitt des Lichtleiters des Licht-Inserts von d=1 mm, stehen nur noch etwa 5,6 mW bei der Halogen und der Plasmalampe zur Verfügung. Der Laser dagegen erreicht auf der Querschnittsfläche des Lichtleiters von 1 mm Durchmesser etwa 15 mW, d.h. eine Erhöhung um ca. den Faktor 3 gegenüber den oben genannten Lichtquellen. Insgesamt kann man daher beim Laser von einer um den Faktor 10 erhöhten wirksamen Energiemenge gegenüber der Halogen- und Plasmalampe ausgehen. Die starke Anregung durch das Laserlicht wirkt der Ausbildung einer breiten Gelphase stark entgegen. Die Polymerisationsschrumpfung und die damit verbundene Spannungsentwicklung werden verringert.
Die hohe Lichtleistung der verwendeten Plasmalampe kann sich im Gegensatz zum Laser nicht so optimal auf die Spannungsentwicklung auswirken. Durch die relativ große Spektralbreite des von der Plasmalampe emittierten Lichts im Bereich von λ=430-520nm und der Minderung durch den geringen Durchmesser des Lichtleiters von 1 mm, kann ein Großteil der Energie nicht zur Anregung des Campherchinons beitragen und somit nur eine stark abgeschwächte Polymerisationsreaktion starten. Da hier wesentlich weniger Polymerisationskeime zur Verfügung stehen, läuft diese langsamer ab und es kommt zur Ausbildung einer ausgeprägten Gelphase. Diese wirkt sich wiederum negativ auf die Spannungswerte aus, wenn keine plastische Phase mehr vorliegt.
Eine Modifikation mit lichtundurchlässigem Opaker an der Spitze des Licht-Inserts zeigte keinen signifikanten Einfluss. Die damit beabsichtigte Streuung des eingestrahlten Lichtes und somit erhöhte Licht- und Energiemenge, die seitlich vom Licht-Insert abgestrahlt wird, brachte zwar nicht die erhoffte Steigerung der Lichtausbeute, beeinflusste jedoch die Ergebnisse ebenso wenig negativ und wurde deshalb bei allen weiteren Versuchsreihen und den dabei verwendeten Licht-Inserts ebenfalls angewendet. Des Weiteren wurde durch den Opaker ein positiver ästhetischer Effekt auf die mit Licht-Insert gelegten Blockfüllungen beobachtet.
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Zusätzlich zu den Versuchsreihen mit einem handelsüblichen Hybrid-Komposit (Arabesk Top – Firma VOCO) wurde eine Versuchsreihe mit einem zu der Zeit noch in der Entwicklung befindlichen Nanokomposit (Firma VOCO) durchgeführt, welches 20 Sekunden durch den Laser über das Licht-Insert vorbelichtet wurde. Die hierbei erzielten Spannungswerte zeigen keine deutlichen Vorteile des Nanokomposites gegenüber dem Hybrid-Komposit. Im Gegenteil, es wurden signifikant höhere Spannungswerte gemessen.
Anzumerken ist jedoch hierbei, dass es sich bei dem verwendeten Nanokomposit um eine sehr frühe Entwicklungsstufe handelte und somit die hier erzielten Ergebnisse nicht repräsentativ für neuere Nanokomposite sein müssen. Weiterführende Untersuchungen könnten hier die erwarteten Vorteile von Nanokompositen möglicherweise belegen.
