Keramische Werkstoffe

tl_files/content_images/keramikkrone.jpgDem Wunsch der Patienten nach einem ästhetisch anspruchsvollen und qualitativ hochwertigen Zahnersatz wird von Seiten der Zahnärzte, der Techniker und der Industrie durch stetige Neuentwicklungen und Verbesserungen der Restaurationsmaterialien Folge geleistet. So sind dentale Keramiken in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer hohen Biokompatibilität und Mundbeständigkeit sowie ihrer hervorragenden ästhetischen Eigenschaften zu einem wichtigen Pfeiler in der Wiederherstellung von dentalen Defekten herangereift. Bei der Herstellung von Einzelzahnrestaurationen bilden Vollkeramische Systeme durch kontinuierliche Verbesserungen ihrer mechanischen Eigenschaften eine echte Alternative zu Goldgussrestaurationen. Durch den Einsatz neuer und innovativer Techniken wurde es möglich, keramische Werkstoffe auch in funktionellen und ästhetisch anspruchsvollen Bereichen der Mundhöhle sicher einzugliedern.

Grundlagen

Unterteilung dentaler Keramiken

Um gezielt eine Keramik betrachten zu können, ist es notwendig eine Unterteilung der verschiedenen Produkte zu treffen. Diese kann einerseits bezüglich der chemischen oder physikalischen Eigenschaften oder andererseits nach Anwendungsbereichen erfolgen. In Anbetracht der  Thematik dieser Arbeit scheint eine Unterteilung nach  Anwendungsbereichen in folgende Bereiche als sinnvoll:

  1. Verblendkeramik und 
  2. Gerüstkeramik
    a. Presskeramik
    b. Fräs- und Schleifkeramik
    c. Infiltrationskeramik

1. Verblendkeramik

Hierbei kann eine Unterteilung nach der chemischen Zusammensetzung bezüglich des Leuzitgehaltes getroffen werden.  Leuzithaltige Keramiken können sowohl natürlich als auch synthetisch hergestellt werden. Natürlich hergestellte leuzithaltige Keramiken sind klassische Aufbrennkeramiken.

Synthetisch hergestellte  Leuzitkeramiken gelten als moderne Aufbrennkeramiken. Die in der Glasphase dispers verteilten Leuzitkristalle  haben die Aufgabe durch Streuung und Trübung die transparente Glasphase farblich dem Zahnschmelz anzugleichen sowie die Standfestigkeit beim Brennen und die Endfestigkeit unter funktioneller Belastung zu steigern.

2. Gerüstkeramik

Gerüstkeramiken sind bezüglich ihrer Herstellungsart in Presskeramik, Fräskeramik und in Infiltrationskeramik zu unterteilen.

2.a. Presskeramik

Presskeramiken lassen sich ebenfalls bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung in Lithiumdisilikathaltige und Leuzithaltige Keramiken unterteilen. Als Keramiken die Lithiumdisilikat als Kristalltyp aufweisen, soll Empress 2 (Ivoclar) mit einer Biegefestigkeit von ca. 300 Mpa, Erwähnung finden. Mit diesen Werkstoff ist sowohl die Herstellung von Einzelkronen als auch von kleineren Frontzahnbrücken möglich. Leuzithaltige Glaskeramiken können weiterhin in leuzitverstärkte Glaskeramiken und Glaskeramiken mit einem klassischen Leuzitgehalt unterteilt werden. Als Glaskeramiken bezeichnet man mineralische Massen, die im geschmolzenen Zustand als Glas vorliegen und während der Abkühlphase aus dem Kalifeldspat des Glases Kristalle bilden. Glaskeramiken die als leuzitverstärkt gelten weisen einen WAK von ~ 16·10-6 K auf und haben einen Kaliumgehalt bis 14 %. Der wohl bekannteste Vertreter dieser Gruppe ist IPS-Empress (Ivoclar). Durch eine optimale Verteilung der Leuzitkristalle in der Glasphase werden Biegefestigkeitswerte, die im Bereich von 150 MPa bis 200 MPa liegen erreicht

2.b. Fräs- und Schleifkeramik

Auch in der Gruppe der Fräs- und Schleifkeramiken soll vorab eine Unterteilung bezüglich der chemischen Zusammensetzung getroffen werden.

So sind: Glaskeramiken zur Herstellung von Inlays und Kronen, Infiltrationskeramiken (In-Ceram Aluminia, Spinell und Zirkonia von Vita,), Aluminiumoxidverstärkte Keramiken, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid zur Fertigung von Kronen und Brücken mittels Fräs- und Schleiftechnik geeignet.

Als Vorteil von Restaurationen aus Aluminium-  und Zirkoniumoxid gegenüber anderen Vollkeramiken kann eine drei- bis vierfach höhere Biegefestigkeit (600 MPa bis 1000 MPa) sowie Elastizitätsmodule zwischen 200 GPa bis 300 GPa genannt werden. Sie vereinigt die zur Zeit besten, für die Zahnheilkunde nutzbaren Materialeigenschaften. Ein beachtenswerter Punkt liegt in der Verarbeitungsweise. So kann Zirkoniumoxid einerseits im nachverdichteten, „gehipten“ Zustand unter großem Zeitaufwand beschliffen werden oder andererseits als vorgepresster und vorgesinterter Rohling beschliffen und im anschließenden, mehrstündigen Sinterbrand verdichtet werden.

Die Betrachtung der Herstellungsweise  lässt eine Unterteilung in das Kopierschleifverfahren und die echten CAD/CAM-Systeme wie beispielsweise das CAM-System Cercon (Degdent) zu. Cercon unterscheidet sich von CAD/CAM-Systemen durch eine in Wachs modellierte Restauration, welche eingescannt wird und in einer anschließenden computerunterstützten Fertigungsphase (CAM) gefräst wird. 

2.c. Infiltrationskeramik

In dieser Gruppe stellt die Keramik In-Ceram (VITA, Bad Säckingen) eine wichtige und interessante Variante dar. Es handelt sich hierbei um zwei dreidimensional-infiltrierende Phasen aus Aluminiumoxid und einem Glas. Das Gerüst wird mit Feldspatkeramik beschichtet. Die Festigkeitswerte schwanken, abhängig von der Testmethode, zwischen 236 MPa und 446 MPa und kommen denen von Metallkeramik nahezu gleich. In-Ceram Kronen hatten eine entsprechende Bruchfestigkeit wie metallkeramische Kronen (Kappert und Krah 2001).

Eigenschaften einer Dentalkeramik

Die Anforderungen an eine Keramik, um sie als zahnärztlichen Werkstoff zu etablieren, sind vielfältig. So ist eine gute mechanische und physikalische Eigenschaft ebenso notwendig wie einfache Handhabung und präzise Verarbeitung. Optische Eigenschaften sowie Verträglichkeit und Beständigkeit in der Mundhöhle, sind weitere Auswahlkriterien bei der Suche nach neuen Werkstoffen im keramischen Bereich. 

Mechanische und physikalische Eigenschaften

Um anhand der Festigkeit der Keramik eine Aussage über die Eignung als Zahnersatz geben zu können, müssen Kaukräfte, die an natürlichen Zähnen gemessen wurden, als Vergleichswert herangezogen werden. Die mittlere Belastbarkeit von Einzelzähnen reicht von ca. 150 N bei Frontzähnen bis ca. 360 N für Molaren. Als Maximalwerte können im Molarenbereich Kräfte bis ca. 530 N auftreten. Sie sind im wesentlichen von der Wurzelform, der Wurzelgröße und vom Wurzelquerschnitt abhängig (Hessel 1976). Ein Vollkeramiksystem sollte demnach diesen Belastungen standhalten. Ein Versagen gegenüber diesen Belastungen zeigt sich in Form von Rissen, Sprüngen, Abplatzungen oder gar im Bruch der Keramik. Für einen Gerüstwerkstoff sind der Elastizitätsmodul und die Biegefestigkeit als wichtige Kenngrößen zu nennen. So beschreibt der Elastizitätsmodul den Widerstand gegen eine elastische Verformung. Die Biegefestigkeit ermittelt die elastische Verformung, die durch Druck- und Zugspannung auftritt. Hierbei liegt die einen Bruch auslösende Spannung auf der Zugseite der Keramik, da herstellungsbedingt eine Druckspannung erzeugt wird, aus der  eine höhere Druckfestigkeit resultiert. Erreicht die Biegezugspannung den kritischen Wert, bei dem ein Bruch durch Rissbildung eingeleitet wird, so ist die Biegefestigkeit erreicht, welche die Grenze der elastischen Belastbarkeit einer Dentalkeramik darstellt. Beim Überschreiten dieser Grenze erfolgt der unerwünschte Bruch der Restauration (Kappert und Krah 2001). Um eine Beurteilung der Festigkeitseigenschaften einer Keramik vornehmen zu können eignet sich die Prüfung der biaxialen Biegefestigkeit. Klassische Grundlagen  17 Glaskeramiken haben einen Elastizitätsmodul von ca. 60 GPa bis 80 GPa und eine Biegefestigkeit von 60 MPa bis 80 MPa . Der Wärmeausdehnugskoeffizient stellt bei Keramikverbundsystemen eine weitere Komponente bezüglich der Gesamtfestigkeit dar. Hierbei sollte der Gerüstwerkstoff einen leichten, bis 15 % höheren WAK haben als die Verblendmasse, um so die Verblendmasse während der Abkühlphase  leicht unter Druck zu setzen. Als Voraussetzung muss jedoch gewährleistet  sein, dass der Gerüstwerkstoff der entstehenden Zugspannung sowohl von der Dimension als auch von der Festigkeit her standhält. Für die Belastbarkeit eines keramischen Verbundsystems ist unter anderem auch die Festigkeit der miteinander verbundenen Schichten von großer Bedeutung. Da es sich hierbei meist um Materialien mit unterschiedlichen Festigkeitswerten handelt, hat die Anordnung und der Querschnitt der einzelnen Schichten einen großen Einfluss auf das Ergebnis. Liegt das Material mit der höheren Festigkeit in einer dickeren Schichtstärke und in einem Bereich mit  höherer Beanspruchung vor, so wird die Gesamtkonstruktion um so belastbarer. Eine Steigerung der Belastbarkeit wird auch durch das Verlagern der Kernmassenschicht in  den Bereich der Zugzone erreicht. Die Belastbarkeit wird weiterhin durch die Dimension beeinflusst. Sowohl eine hohe Schneidekante als auch eine geringe Dicke im Bereich des Zahnäquators, verringern die Festigkeit einer Keramikrestauration nachweislich. In Seitenzahnbereich ist die okklusale Schichtstärke für die Festigkeit von Bedeutung. Weiterhin stellt die mechanische Bearbeitung der Oberfläche eine Belastung der Dentalkeramik dar. Sie ist im allgemeinen dem Gleit- und dem Stoss-Gleit-Roll-Verschleiß ausgesetzt, der sich hauptsächlich aus abrasivem und adhäsivem Verschleiß zusammensetzt. Hierbei entstehen durch den Aufprall der Schleifkörper auf der Oberfläche Mikrorisse in der obersten Schicht der Keramik. Die unter Druck stehenden Schleifkörper führen Rollbewegungen aus und bewirken so eine Vergrößerung der Risse und das Absplittern der spröden Keramik. Durch fortschreitende Zerstörung der Oberfläche wird dem Materialabtrag kein wesentlicher Widerstand mehr entgegengesetzt. Dieser Prozess wird sichtbar durch eine Glanzminderung in der Oberfläche. Die Ursache der Glanzminderung liegt jedoch in der Zunahme des diffusen Reflexionsanteils bei Lichteinfall auf Kosten der regulären Diffusion. Um ähnliche Belastungen, wie sie unter solchen Bedingungen in der Mundhöhle auftreten, zu simulieren, existiert kein geeignetes Testverfahren. Im Zusammenhang mit der Oberflächenbeschaffenheit wurde von  Schwickerath (1987) gezeigt, dass eine glasierte Oberfläche weniger Abrieb zeigt als eine beschliffene, ohne aber den Schmelz des Antagonisten in größerem Masse abzunutzen.

Chemische Eigenschaften

Dentale Keramiken zählen zu der Materialgruppe der Gläser, welche sich durch eine hohe Beständigkeit gegenüber fast allen Chemikalien im üblichen Temperaturbereich auszeichnen. Die Ausnahme bildet hierbei  die Flusssäure, welche zu einem sofort sichtbaren Angriff der Oberfläche führt. Gläser und Keramiken sind dennoch nicht unempfindlich bezüglich wässriger Lösungen. Unter Hydrolyseeinfluss treten Reaktionen mit allerdings sehr langsamen Reaktionsgeschwindigkeiten auf (Scholze 1988). In der Mundhöhle wird die Keramik mit einer Fülle von chemischen Reaktionen konfrontiert. So sind sowohl die mit der Nahrung aufgenommenen Säuren als auch die von Mikroorganismen  in der Plaque gebildeten Säuren als schädigende Substanzen zu nennen. Aufgrund der Häufigkeit einer Säureexposition in der Mundhöhle ist diesem Angriff weit  mehr Aufmerksamkeit zu widmen als einem basischen Angriff. Die chemische Löslichkeit einer Keramik hängt jedoch noch von einigen anderen Parametern wie der chemischen Zusammensetzung, der Homogenität sowie dem Zustand und der Vorbehandlung der Oberfläche ab (Schäfer und Kappert 1993). Eine Dentalkeramik sollte demnach eine gewisse Beständigkeit gegenüber chemischen Substanzen aufweisen, ohne an Funktion, Struktur oder Ästhetik zu verlieren.

Optische Eigenschaften

Eine dentalkeramische Restauration soll in Farbe und Form so nah wie möglich an das Erscheinungsbild des  natürlichen Zahnes herankommen. Dabei sind die Grundlagen 19 physikalischen Eigenschaften der Keramik in Bezug auf Lichtleitung und Lichtreflexion von großer Bedeutung. Durch Beimengung verschiedener Pigmente in Schmelz- und Dentinmassen wird eine bestimmte Färbung und Transluzenz der Keramik erreicht. Eine glatte Oberflächengestaltung gewährleistet einen ungehinderten Lichttransport in tiefer gelegene Schichten der Restauration. Die Auswahl des Befestigungsmediums spielt im optischen Erscheinungsbild der Restauration ebenso eine wichtige Rolle. Der Lichttransport sollte zwischen keramischer Restauration und präpariertem Zahn ungehindert erfolgen, damit die Farbe des natürlichen Zahnes in die Restauration einstrahlen kann und so bei der Farbgebung mitwirken kann  (Kühn 1996). Weiterhin sollte sich eine keramische Oberfläche nicht durch in Nahrungs- und Genussmittel enthaltene Substanzen verfärben. 

Biokompatibilität

Unter Biokompatibilität verstehen wir die Verträglichkeit und Beständigkeit eines in den Körper eingebrachten Stoffes, ohne hierauf Reaktionen des Körpers auszulösen. Dentalkeramiken zeigen allgemein eine recht gute Biokompatibilität. Im Bereich des marginalen Parodont und der Klebefuge ist eine uneingeschränkte Biokompatibilität jedoch nicht zu erwarten (Küpper und Biniek 1989). Für die Biokompatibilität ist es von besonderer Bedeutung, dass im Bereich des Kronenrandes die Kernmasse nicht bis an die Präparationsgrenze heranreicht. Hierbei zeigten sich vermehrt inhomogene Bereiche und Porositäten, die zu einer vermehrten Plaqueanlagerung und Keimbesiedelung führen  (Küpper und Biniek 1989). Eine Tendenz zu geringerer Plaqueanlagerung konnte mittels Plaque- Index  (Quigley- Hein) und Papillen- Blutungs- Index (Mühlemann) zeigen, dass die glatte Oberfläche einer Vollkeramik den Bereich des marginalen Parodonts weitaus weniger beeinflusst als eine Metallkeramik. Die Biokompatibilität wird weiterhin durch die Art der Befestigung eingeschränkt. Hierbei ist das Augenmerk auf die adhäsiv befestigten Restaurationen zu richten. Probleme, die bei der Befestigung mittels Komposit auftreten können, sind Polymerisationsschrumpfung, Dentinhaftung, Wasseraufnahme und Quellung, sowie langfristige hydrolytische Degradation (Pröbster 1996).