Dentale Silikatkeramiken – Vielfalt für die Praxis
Um Materialien im klinischen Alltag fachgerecht zu verarbeiten und entsprechend ihrer Indikation einsetzen zu können, ist die Kenntnis über deren Werkstoffeigenschaften unerlässlich. Dabei spielen Faktoren, wie beispielsweise die Frage, ob das Material im teil- bzw. vollkristallisierten Zustand ausgeliefert wird, die Zusammensetzung der Keramik und die Verarbeitungsmethode des Werkstoffes eine bedeutende Rolle. Die Autoren haben die Werkstoffklasse der Lithiumsilikatkeramiken genauer betrachtet, einige Materialien stellvertretend beschrieben und deren Eigenschaften gegenübergestellt.
Einprobe monolithischer Full-Wrap Veneers aus Lithium-Disilikat Keramik (Zahntechnik: Ztm. Otto Prandtner)
Für die Versorgung verschiedener dentaler Defekte steht ein breites Angebot an zahnmedizinischen Werkstoffen zur Verfügung, aus welchen die herzustellende Restauration angefertigt werden kann. Hierbei ist die Entscheidung für oder gegen ein bestimmtes Restaurationsmaterial von einer Vielzahl an Faktoren abhängig wie der individuellen Erfahrung des Zahnarztes mit dem Restaurationsmaterial, der wissenschaftlichen Datengrundlage über die Materialeigenschaften und das Indikationsgebiet des Werkstoffes, dem ästhetischen Anspruch des Patienten sowie nicht zuletzt dessen finanziellen Möglichkeiten. Im Bereich der festsitzenden Dentalwerkstoffe verlieren die klassischen metall-(keramischen) Restaurationen zugunsten von Zahnersatz aus vollkeramischen Materialien seit Jahren zunehmend an Relevanz. In einer Befragung gaben beispielsweise 89 Prozent der teilnehmenden US-amerikanischen Zahnärzte an, für Einzelkronen im Frontzahnbereich vollkeramische Restaurationsmaterialien zu verwenden, wobei sich dabei insgesamt 54 Prozent der Befragten für eine Versorgung aus Lithiumsilikat entschieden [1]. Dass sich vollkeramische Restaurationen erst seit einiger Zeit derart großer Beliebtheit erfreuen, zeigt eine Untersuchung aus dem Jahr 1988, in welcher Zahnärzte aus Kanada und der Schweiz befragt wurden. Hierbei wählten 55 Prozent der Schweizer Teilnehmer, sowie 56 Prozent der kanadischen Befragten Einzelkronen aus Metall mit keramischer Verblendung, jeweils 17 Prozent bzw. 35 Prozent der Befragten vollmetallische Restaurationen und lediglich ein Prozent bzw. zwei Prozent keramische Jacketkronen [2].
Vorteile keramischer Werkstoffe
Die Gründe für die wachsende Popularität von keramischen Werkstoffen sind vielfältig. Moderne Keramiken weisen gute mechanische Eigenschaften [3] sowie eine hohe Biokompatibilität [4] und Ästhetik auf. Zudem machen steigende Rohstoffkosten für bestimmte Edelmetalle den Einsatz von keramischen Werkstoffen, welche häufig zu einem niedrigeren Preis erworben werden können, zunehmend attraktiver. Ästhetisch vorteilhaft wirkt sich bei Restaurationen aus Keramik der Wegfall von subgingival gelegenen Metallrändern aus, welche bei metallkeramischen Restaurationen durch das Weichgewebe scheinen und eine Diskoloration im Bereich des Gingivasaums bedingen. Außerdem ist, insbesondere bei silikatkeramischen Werkstoffen, durch den Entfall des Metallgerüsts eine bessere Transmission des Lichts in die Zahnhartsubstanzen und die umgebenden Weichgewebestrukturen möglich, wodurch die Transluzenz eines natürlichen Zahns besser nachgeahmt werden kann (Abb. 1).
Speziell Zahnersatz aus Lithiumsilkat vermittelt durch die hohe Transluzenz ein derart natürliches Erscheinungsbild, dass in den meisten Fällen auf eine zusätzliche Verblendung verzichtet werden kann. Diese ist bei Versorgungen im Frontzahnbereich für Metallrestaurationen aus ästhetischen Gründen unerlässlich, allerdings auch bei Arbeiten aus Zirkonoxid aufgrund der geringeren Transluzenz oftmals erforderlich. Positiv ist daher zu bewerten, dass durch den Einsatz von unverblendeten Lithiumsilikatrestaurationen der technische und finanzielle Mehraufwand, welcher mit dem Prozess des Verblendens einhergeht, entfällt, und das Problem des „Chippings“ umgangen werden kann.
Lithiumsilikat
Aufgrund der Vielzahl der genannten positiven Eigenschaften lohnt sich ein genauer Blick auf die Werkstoffklasse der Lithiumsilikatkeramiken, deren Entwicklung, Untergruppen, Materialeigenschaften sowie assoziierte Innovationen, die im Folgenden thematisiert werden sollen.
Vorkristallisierte CAD/CAM-Keramik
Ein System zur Fertigung von silikatkeramischem Zahnersatz stellt die CAD/CAM-Technologie dar, mittels derer aus teilgesinterten Keramikblöckchen die spätere Restauration gefräst werden kann.
Ein Beispiel für ein auf diese Weise zu verarbeitendes Produkt stellt IPS e.max CAD (Ivoclar) dar, eine Lithiumdisilikatkeramik mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und einem breiten Indikationsspektrum [21]. Da sich die Bearbeitung von durchgesinterter Keramik im vollkristallisierten Zustand aufgrund der hohen Festigkeit für Schleifarbeiten als nicht praktikabel erwiesen hat, erfolgte seitens des Herstellers eine Modifikation des Werkstoffs. Die Rohlinge werden daher in einem blau gefärbten, vorgesinterten Zustand mit ca. 40 Vol% Lithiummetasilikatkristallen (Länge 0,2 – 1,0 μm) [16] ausgeliefert, in welchem sie einfacher zu beschleifen sind, jedoch trotzdem eine gute Kantenstabilität aufweisen [22]. Vorteile der Bearbeitung im weniger festen, vorgesinterten Zustand stellen der reduzierte Zeitaufwand für das Beschleifen sowie der geringere Werkzeugverschleiß dar [23]. Dem Schleifvorgang schließt sich der finale Kristallisationsbrand an, bei welchem sich die Lithiummetasilikatkristalle auflösen und es zur Bildung von circa 70 Vol% Lithiumdisilikatkristallen kommt [24]. Im Rahmen dieses Vorgangs stellt sich im Werkstoff die finale Farbe, Opazität und Festigkeit ein. Der Farbwandel der blau gefärbten Rohlinge hin zur gewünschten Zahnfarbe lässt sich durch die verschiedenen Oxidationszustände erklären, in welchen die farbgebenden, polyvalenten Elemente im jeweils teil- bzw. durchgesinterten Zustand vorliegen [22].
Probleme keramischer Werkstoffe
Trotz innovativer Neuentwicklungen im Feld der keramischen Werkstoffe weisen auch moderne keramische Werkstoffe nachteilige Eigenschaften auf. Hier waren beispielsweise die geringe Duktilität, die Sprödigkeit, die große Streubreite der mechanischen Eigenschaften und das unterkritische Risswachstum zu nennen [3]. Unter unterkritischem Risswachstum versteht man den langsamen Fortschritt eines Mikrorisses durch kontinuierliches Einwirken von Beanspruchungsspannungen. Der Mikroriss breitet sich dadurch immer weiter im Material aus, bis er eine kritische Länge erreicht hat, zu der das sogenannte instabile Risswachstum eintritt. Dabei kann es, nachdem sich die Mikrorisse im Material ausgebreitet haben, durch die nun reduzierte Materialfestigkeit auch bei Belastungen, welche deutlich unterhalb der eigentlichen Festigkeit des Materials liegen können, zu einer raschen Rissausbreitung im Werkstoff und damit zum Versagen der Restauration kommen [25].
Dieser Zusammenhang wird durch das zweiparametrige Weibull-Modul beschrieben: Das Modul gibt Auskunft über die statistische Lebensdauer und Ausfallhäufigkeit spröder Werkstoffe.
Mitberücksichtigt wird, abweichend von der Exponentialverteilung, die Vorgeschichte des Werkstücks. Hierbei wird nicht nur der Zeitraum berücksichtigt, in welchem die Alterung stattgefunden hat, sondern auch die Belastung, welcher das Objekt ausgesetzt war. Weiterhin wird die Festigkeitsstreuung eines Materials miteinbezogen: So weisen Werkstoffe mit geringem Weibull-Modul stärkere Schwankungen in den Belastungswerten auf, als Werkstoffe mit hohem Weibull-Modul, bei welchen die Festigkeitsstreuung der Verteilungskurve enger liegt [26].
Im Rahmen der Rissinitiierung stellen bevorzugt lokale Gefügefehler, beispielsweise Poren, Blasen oder Einschlüsse von Fremdkörpern, Ausgangspunkte für die Entstehung von Mikrorissen dar. Besagte Gefügefehler können bei der Herstellung, während der Oberflächenbearbeitung oder durch eine mechanische Belastung des Werkstoffs entstehen [27]. Eine in diesem Bereich einwirkende Spannung führt nun aufgrund des geringen Widerstands, welchen Keramiken aufgrund ihrer Sprödigkeit einwirkenden Spannungen entgegensetzen können, zur unmittelbaren Rissentstehung ohne vorangehende plastische Verformung.
Entstehung von Mikrorissen
Ursächlich für die Entstehung von Mikrorissen sind die oben genannten Spannungen. Diese führen beim Überschreiten der Festigkeit des Materials und an Stellen mit Gefügefehlern zu (Mikro-)Rissen und Frakturen. So betragen Festigkeitswerte keramischer Restaurationen theoretisch aufgrund der atomaren Bindungskräfte 7.000 bis 70.000 MPa; tatsächlich beobachtete Werte liegen aufgrund von Gefügefehlern in der Regel aber lediglich zwischen 7 und 700 MPa [28]. Die Entstehung von Mikrorissen bzw. das Versagen des Materials kann eine Reihe von Ursachen haben, und ist in der Regel multifaktoriell zu begründen. Besonders relevant ist in diesem Kontext die Tatsache, dass die Festigkeit keramischer Werkstoffe in feuchter Umgebung und unter zyklischer (Ermüdungs-)Belastung abnimmt [27, 29]. Ursächlich für die Abnahme der Festigkeit in feuchtem Milieu ist unter anderem die Korrosion der Oberfläche durch Wasser, wie auch die Ansammlung von Flüssigkeit im Bereich von Rissspitzen mit resultierendem Kapillardruck. Dieser bewirkt eine Aufdehnung des Risses und kann so potenziell zum Versagen der Restauration führen [30]. Auch spielen oben bereits genannte Fehler in der Verarbeitung, wie zum Beispiel das Einbringen von Defekten in die Oberfläche durch das Einschleifen der Restauration, für die Entstehung von Mikrorissen eine Rolle [31]. Eine weitere Ursache für die Entstehung von Mikrorissen innerhalb der Keramik stellt deren Thermoschockempfindlichkeit dar. Hierbei reagiert der Werkstoff aufgrund seiner Sprödigkeit empfindlich auf Temperaturschwankungen, welche innere Spannungen auslösen, die wiederum Rissentstehung und -wachstum zur Folge haben können [32]. Diese Temperaturschwankungen können beispielsweise durch falsche Brennführung, eine Überhitzung des Materials beim Fräsvorgang oder eine zu rasche Abkühlung des Materials nach dem Brand entstehen [33].
Vermeidung von Mikrorissen
Es existieren Methoden, um die Entstehung von Mikrorissen und das daraus resultierende Versagen von keramischen Restaurationen zu vermeiden (Abb. 2). Da sich die Fertigung von Keramik ohne oberflächliche Gefügefehler als technisch schwierig darstellt, zielen einige Verfahren darauf ab, die Festigkeit der Keramik über eine Erzeugung von oberflächlichen Druckspannungen zu steigern und damit Rissentstehung und -ausbreitung entgegenzuwirken. Hintergrund hierbei ist, dass keramische Werkstoffe eine Druckfestigkeit haben, welche ihre Zugfestigkeit um den Faktor 4–30 übersteigt [34]. Zu erklären ist dies dadurch, dass Zugbelastungen Spannungsspitzen im Bereich der Rissenden verursachen, welche die Öffnung von Rissflanken und somit den Rissfortschritt befördern [35]. Druckspannung hingegen wirkt komprimierend auf Risse im Material und unterbindet somit einen Rissfortschritt. Eine Festigkeitssteigerung kann beispielsweise durch eine thermische Verfestigung erreicht werden, bei welcher die Keramik auf eine Temperatur oberhalb ihrer Transformationstemperatur gebracht wird.
Im nächsten Schritt erfolgt ein rasches Abkühlen des Bauteils, wobei die oberflächlichen Areale zuerst erstarren, die langsam abkühlenden inneren Anteile jedoch währenddessen weiter kontrahieren. Durch diesen Vorgang kommt es zur Entwicklung von Zugspannung im Inneren sowie Druckspannungen im Bereich der Oberfläche. Die Druckspannungen im Bereich der Oberfläche, von wo aus die Rissbildung ihren Ursprung hat, machen die Keramik resistenter gegen Rissentstehung und fördern die Kompression von Rissflanken in diesem Bereich [36].
Eine weitere Möglichkeit stellt der Ionenaustausch dar. Die Festigkeitssteigerung der Keramik resultiert bei diesem Verfahren aus der Entstehung von Druckspannung innerhalb des Materials. Diese treten durch den Austausch kleinerer Ionen gegen Ionen mit größerem Radius im Temperaturbereich unterhalb der Transformationstemperatur auf, wobei sich ein Platzdefizit bildet, welches Druck auf die Umgebung ausübt [37]. Andererseits kann die Festigkeitssteigerung auch durch die Einlagerung von kristallinen Partikeln in die amorphe Glasmatrix gesteuert werden, wobei sich Anteil, Form und Ausrichtung sowie Größe der Kristalle auf die mechanischen Eigenschaften des Materials auswirken [38]. Hierbei trifft ein in der Glasmatrix fortschreitender Riss auf einen kristallinen Partikel, durch welchen der Riss entweder abgelenkt oder aufgehalten werden kann [15]. Es erfolgt auf diese Weise beim Auftreffen auf die kristalline Struktur eine elastische Dämpfung, durch welche Energie, die im Rahmen des Bruchvorgangs notwendig ist, verringert oder erschöpft wird. Je kleiner die eingelagerten Kristalle sind, je größer die Dichte und je homogener ihre Verteilung, desto höher fällt der Zuwachs an Festigkeit aus [39]. Sofern eingelagerte Kristalle darüber hinaus einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausweisen, welcher sich von dem der Glasmatrix unterscheidet, so kann auch über diesen Mechanismus die Festigkeit der Keramik erhöht werden. Leuzitkristalle beispielsweise weisen einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, als die umgebende Glasmatrix, was dazu führt, dass die Leuzitkristalle im Rahmen des Abkühlungsvorgangs stärker kontrahieren als die umgebende Glasmatrix. Dies wiederum führt zur Entstehung von Druckspannungshöfen, sogenannten Misfit-Spannungen im Bereich um die Leuzitkristalle, welche sich ausbreitende Risse ablenken [40]. Zum anderen ist die Festigkeit einer Keramik von ihrer Oberflächenbeschaffenheit, also der Anzahl vorhandener Defekte, Poren oder Mikrorisse, abhängig [41]. Daher stellen weitere Herangehensweisen, mit welchen eine Festigkeitssteigerung erreicht werden kann, das mechanische Schleifen und Polieren [42] sowie die Applikation einer Glasurmasse zur Beseitigung bzw. Minimierung von oberflächlichen Inhomogenitäten dar.
Im Rahmen der mechanischen Glättung keramischer Oberflächen kommen diamantierte Schleifkörper zum Einsatz, deren Härte höher ist als die der zu bearbeitenden Keramik. Durch die Bewegung des Schleifkörpers werden Grate und Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche der Keramik entfernt und so das Material geglättet. Durch die anschließende Politur der Oberfläche wird diese weiter veredelt, ohne dabei einen bedeutsamen Materialabtrag zu verursachen. Dies geschieht in mehreren Politurschritten mit einer Reihe an immer feinkörniger werdenden Partikeln. Neben der mechanischen Bearbeitung kann die Keramikoberfläche auch mit einer Glasurmasse behandelt werden. Hierbei wird auf die in ihrer Form fertige Restauration eine niedrigviskose Glasurmasse appliziert, anschließend folgt der Glasurbrand im Keramikofen [14]. Zum einen bewirkt eine derartige Behandlung durch das Eindringen der Glasurmasse in Oberflächendefekte oder Risse eine Reduktion der Tiefe der Oberflächeninhomogenitäten und dadurch eine Stärkung des Materials [43, 44]. Zum anderen kann durch das Auftragen von Glasurmasse Druckspannung innerhalb der Keramik erzeugt werden, welche wiederum Rissentstehung und -ausbreitung entgegenwirkt und die Festigkeit des Werkstoffes steigert [45, 46]. Realisiert wird dies, indem eine Glasurmasse gewählt wird, deren Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist, als jener der Keramik. Dadurch wird nach dem Abkühlvorgang die Ausbildung einer Druckspannung realisiert [45].
Applikation von Glasurmassen zur Festigkeitssteigerung
Die Fähigkeit einer Keramik, sich Rissentstehung sowie Rissausbreitung zu widersetzen, spielt also hinsichtlich der Häufigkeit von später auftretenden Ermüdungsfrakturen eine bedeutende Rolle und bestimmt letztendlich über die Lebensdauer der gesamten Restauration. Infolgedessen ist eine optimale Oberflächenbehandlung zur Steigerung der Festigkeit unerlässlich. Im Folgenden werden Auszüge aus der vorliegenden Literatur betrachtet, welche sich mit dem Zusammenhang zwischen Oberflächenbehandlung und potenzieller Festigkeitssteigerung der Keramik befassen. In einer Untersuchung [47] wurde der Einfluss unterschiedlicher Oberflächenbehandlungen auf die Biegefestigkeit zweier Lithiumdisilikat-Presskeramiken (HS10PC, estetic ceram und IPS e.max Press, Ivoclar) analysiert. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Art der Oberflächenbehandlung einen erkennbaren Einfluss auf die Bruchlast der Keramiken hat, wobei durch die Behandlung der Keramik mit Glasurmassen ein besonders positiver Effekt erreicht werden konnte. Explizites Augenmerk sollte auf die Auswahl einer Glasurmasse gelegt werden, welche in Bezug auf ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf den keramischen Werkstoff abgestimmt ist. Es empfiehlt sich daher die Verwendung von Glasurmassen, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten etwa 1–1,5 ppm/K unter dem der zu glasierenden Keramik liegt.
Bei der Untersuchung der Biegefestigkeit unterschiedlich vorbehandelter, standardisierter Kronen konnte beobachtet werden, dass eine Oberflächenglasur zur signifikanten Steigerung der Biegefestigkeit führt (Abb. 2) [48]. Verglichen wurden hierbei Kronen aus dem Material ProCAD (Ivoclar), einer leuzitverstärkten Silikatkeramik, welche entweder poliert oder glasiert wurden, und jeweils unmittelbar nach Anfertigung sowie nach zyklischer Belastung untersucht wurden. Es zeigte sich die Überlegenheit der Glasur über die Politur in Bezug auf die Bruchlaststeigerung. Zwar senkt zyklische Belastung unabhängig von der Art der zuvor erfolgten Oberflächenbehandlung die Festigkeit des Materials, jedoch führt eine Glasur zu einer geringeren Abnahme der Festigkeit nach zyklischer Belastung als eine reine Politur. Auch im Rahmen einer weiteren Untersuchung [49] konnte eine Biegefestigkeitssteigerung durch (Glasur-)Brand nachgewiesen werden. Analysiert wurde die Biegefestigkeit von fünf verschiedenen Chairside-CAD/CAM-Keramiken. Dafür wurden aus den CAD/CAM-Blöcken rechteckige Plättchen geschnitten, in welche anschließend eine Kerbe eingebracht wurde, über die die Krafteinleitung erfolgte. Nachfolgend wurde die für den Bruch des Prüfkörpers erforderliche Höchstlast aufgezeichnet und daraus die Biegefestigkeit ermittelt. Hierbei konnte beim Material Celtra Duo (Dentsply Sirona) ein signifikanter Unterschied zwischen den ungebrannten Prüfkörpern (1,01 MPa m1/2) und denen, die zuvor einem Brand unterzogen worden waren (2,65 MPa m1/2), festgestellt werden. Ursächlich für die erhöhte Biegefestigkeit nach dem Brand des Materials ist, dass der Glasanteil des Materials während des Brennens zu einer hochviskösen Flüssigkeit wird und ähnlich einer Glasur die Einebnung von Unebenheiten und Rissen bewirkt, was in einer Festigkeitssteigerung resultiert [50].
Fazit
Die wachsende Popularität keramischer Restaurationswerkstoffe lässt sich durch ihre ausgezeichnete Biokompatibilität, die hohe Transluzenz und die damit verbundene Ästhetik sowie die mechanischen Eigenschaften des Materials erklären. Demgegenüber stehen jedoch auch Aspekte, welche Verarbeitung, Workflow und die klinische Performance von keramischem Zahnersatz negativ beeinflussen können. So sind im Rahmen des Fertigungsprozesses beispielsweise eine nicht unerhebliche Menge von Prozessschritten auszuführen und es ist auf die genaue Einhaltung einer Vielzahl von Prozessparametern zu achten, um eine hochwertige und langlebige Restauration herzustellen. Hier ist insbesondere die Entstehung von Mikrorissen bei der Herstellung, während der Oberflächenbearbeitung oder durch mechanische Belastungen in situ aufzuführen. Durch das Fortschreiten eben dieser Risse ist ein Versagen der gesamten Konstruktion zu befürchten. Um dies zu vermeiden und einem Risswachstum vorzubeugen, existiert eine Reihe an Lösungsansätzen zur Oberflächenbehandlung. Dazu zählen unter anderem die mechanische Politur sowie die Verwendung von Glasurmassen. Es liegen bereits einzelne Untersuchungen vor, die sich mit dem Zusammenhang zwischen Oberflächenbehandlung, insbesondere der Oberflächenglasur, und einer Festigkeitssteigerung des keramischen Werkstoffs auseinandersetzen. Nichtsdestotrotz besteht die Notwendigkeit für bestimmte Glasurmassen und Keramiken weiterführende Untersuchungen durchzuführen, um besagte Abhängigkeiten zu eruieren.
Carola Irlinger
ist Zahnärztin und Doktorandin der Werkstoffkunde der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik an der LMU München.
Carola.Irlinger@med.uni-muenchen.de
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