Vollkeramik/Presskeramik

Nichtedelmetall(NEM)-Legierungen, insbesondere Kobaltbasislegierungen, werden in einem weiten Indikationsbereich in der Zahnmedizin eingesetzt. Sie werden unter anderem als Gerüstwerkstoff für Kronen- und Brückenrestaurationen oder zur Fertigung von Modellgussgerüsten und Teleskopkronen verwendet. Vorteile dieser Legierungen sind die hohe Steifigkeit, die geringe spezifische Dichte, die geringe Wärmeleitfähigkeit, aber auch die gute Mundbeständigkeit und Korrosionsresistenz [1,2]. Aufgrund ihrer guten Biokompatibilität kommen Kobaltbasislegierungen ebenfalls in anderen medizinischen Bereichen zum Einsatz, so z. B. als Stentmaterial [3] oder bei der Fertigung von Endoprothesen [4]. Neben den guten mechanischen und biologischen Eigenschaften spielen jedoch zunehmend wirtschaftliche Aspekte eine wichtige Rolle bei der Auswahl der Legierung. Aufgrund der stark angestiegenen Edelmetallpreise entscheiden sich mehr und mehr Patienten für Restaurationen basierend auf NEM-Legierungen. Ein weiterer Faktor für die zunehmende Verbreitung dieser Legierungen ist die Möglichkeit der computergestützten Verarbeitung im CAD/CAM-Verfahren. Diese Fertigungstechnik macht nicht nur den teilweise schwer kontrollierbaren Gussprozess überflüssig und erleichtert die zahntechnische Weiterverarbeitung, sondern garantiert durch die Verwendung industriell gefertigter Ausgangsmaterialien eine reproduzierbare Produktqualität.

Im Rahmen der Herstellung von Kronen- und Brückenrestaurationen werden NEM-Legierungen zumeist als Gerüstmaterial eingesetzt. Die zahnfarbene Gestaltung der Restaurationen erfolgt durch die Verblendung der Gerüste mit keramischen Massen. In der Literatur wird beschrieben, dass der Haftverbund zwischen diesen Komponenten im Vergleich zu Edelmetalllegierungen in einer ähnlichen Größenordnung liegt [5]. Der Verbund zwischen Legierung und Keramik wird dabei durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Dies sind Kontraktionskräfte, die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Komponenten entstehen, Van-der-Waals- Kräfte, mechanische Retentionskräfte und chemische Bindungen.

Nach dem mechanischen Verbund kommt der größte Anteil am Verbund den chemischen Bindungen zwischen Legierungsoxiden und Siliziumatomen der Keramik in Form von Sauerstoffbrückenbindung zu. Diese Bindung entsteht aufgrund von Haftoxiden, die sich vor allem während des ersten Keramikbrandes auf der Legierungsoberfläche bilden. In der Folge kommt es zu einem Diffusionsaustausch verschiedener metallischer und keramischer Elemente innerhalb der Kontaktzone [6]. Bei NEM-Legierungen wandern insbesondere die Chromoxide in die Keramikschicht ein und sind so für die chemische Bindung verantwortlich [7]. Müssen bei Edelmetalllegierungen mangels Oxidationsbereitschaft in geringen Mengen Oxidbildner zulegiert werden, ist dies augrund des Chromanteils bei NEM-Legierungen nicht erforderlich. Die Ausbildung einer zu starken Oxidschicht sollte jedoch bei NEM-Legierungen möglichst verhindert werden, da diese ansonsten wie eine Trennschicht zwischen den Werkstoffen wirkt. Nicht nur der Haftverbund wird dadurch geschwächt, auch ein gewünschter Spannungsaufbau innerhalb der Verblendkeramikschicht wird gestört [8]. Dies führt zu Komplikationen im Rahmen des Verblendvorgangs in Form von Sprüngen und Abplatzungen des Keramikmaterials (Abb. 1).

Neben den direkten physikalischen und chemischen Verbundmechanismen hat ebenfalls die Benetzbarkeit der Legierungsoberflächen durch die Verblendkeramik einen entscheidenden Einfluss auf den Haftverbund der beiden Komponenten. Nur durch eine ausreichende Benetzung wird sichergestellt, dass die oben beschriebenen Mechanismen, die den Verbund sicherstellen, überhaupt wirksam werden können.

Um den beschriebenen Problemen entgegenzuwirken, wurde vor kurzem von der Firma Heraeus ein spezieller Primer (HeraCeram NP-Primer, Heraeus Kulzer GmbH, Hanau) vorgestellt. Nach Herstellerangaben soll dieser Primer zum einen eine deutlich verbesserte Benetzung der NEM-Legierungsoberflächen bewirken, zum anderen aber auch eine übermäßige Oxidbildung unterbinden und dadurch die Entwicklung einer zu starken Oxidschicht verhindern. Gleichzeitig soll er ebenfalls ein hohes Lösungsvermögen für die Oxide der NEM-Legierungen aufweisen.

Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, den Einfluss einer Primerapplikation auf den Haftverbund zwischen einer Verblendkeramik und zwei verschiedenen Kobaltbasislegierungen zu evaluieren. Die Auswirkungen der Primerapplikation wurden sowohl quantitativ in einem frakturmechanischen Testverfahren als auch qualitativ im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Es wurden die Hypothesen geprüft, dass durch die Applikation des Primers die Benetzbarkeit der Legierungsoberflächen verbessert wird und die Verbundfestigkeit der Komponenten zunimmt.

Methodische Vorgehensweise

Der Haftverbund zwischen einer auf dem Markt erhältlichen Kobaltbasislegierung und einer Verblendkeramik (HeraCeram, Heraeus Kulzer GmbH, Hanau) wurde untersucht. Die Herstellung der rechtwinkligen Legierungsprüfkörper (25 mm Länge / 8 mm Breite / 1,25 mm Dicke) erfolgte in einem konventionellen Gussprozess. Vor der folgenden Verblendung wurden sämtliche Legierungsprüfkörper bei 3 bar mit 110 μm Aluminiumoxid abgestrahlt und mit einem Dampfstrahl gereinigt. Danach wurde 20 metallischen Prüfkörpern gemäß Herstellerangaben ein Primer (HeraCeram NP-Primer, Heraeus Kulzer GmbH, Hanau) aufgebrannt, weitere 20 Prüfkörper ohne Primerapplikation bildeten die Kontrolle (n=20). Im Folgenden wurden die streifenförmigen Legierungsprüfkörper in drei Schritten (Opakerbrand, 1. Dentinbrand, 2. Dentinbrand) von einem erfahrenen Zahntechniker verblendet und so planparallel beschliffen, dass sich eine Gesamtdicke der zweischichtigen Prüfkörper von 2,5 mm ergab (1,25 mm Legierung / 1,25 mm Verblendung). Die Prüfkörper wurden dann auf der Seite der Verblendung gemäß ISO 23146 [9] mit einem definierten Anriss versehen. Danach erfolgte eine Belastung der Proben im 4-Punkt-Biegetest nach DIN EN 843 [10] bei einem Vorschub von 0,01 mm/min mit der Verblendkeramik auf der Zugspannungsseite (Abb. 2). Die Kraft, bei der eine kontrollierte Rissausbreitung im Verbundbereich der Komponenten auftrat, wurde aufgezeichnet und die Energiefreisetzungsrate berechnet [11]. Der ermittelte Wert für die Energiefreisetzungsrate gibt die Energie an, die notwendig ist, um die Verbundkomponeten (Legierung/Verblendkeramik) voneinander zu trennen und repräsentiert somit die Stärke des Haftverbundes. Die statistische Analyse der Energiefreisetzungsraten erfolgte mittels eines t-Testes für unabhängige Stichproben, wobei das Signifikanzniveau auf p=0,05 festgelegt wurde.

Abschließend wurden die Frakturoberflächen im Bereich der Legierung im Rasterelektronenmikroskop (REM) analysiert. Diese Analysen gaben zum einen näheren Aufschluss über die Benetzung der Legierungsoberfläche durch die Verblendkeramik, zum anderen wurden Informationen zum Frakturmuster (adhäsiv/ kohäsiv) gewonnen.

Ergebnisse und Diskussion

Durch die Applikation des Primers wurde die Verbundfestigkeit zwischen der Kobaltbasislegierung und der Verblendkeramik erhöht. Die mittlere Energiefreisetzungsrate lag für die Prüfkörper ohne Primer bei 24,1 (± 4,8) J/m2, durch Anwendung des Primers erhöhte sich die Energiefreisetzungsrate auf 28,7 (± 4,2) J/m2 (Abb. 3). Diese Erhöhung der Verbundfestigkeit war statistisch signifikant (p=0,003). Die ermittelten Werte lagen in einer ähnlichen Größenordnung wie Energiefreisetzungsraten, die in der Literatur bereits für Verbundsysteme aus NEM-Legierungen und Keramiken beschrieben wurden [12 – 14]. Die Ermittlung der Energiefreisetzungsrate stellt dabei ein innovatives Verfahren zur Verbundfestigkeitsanalyse dar, das bislang nur in wenigen Studien Anwendung fand. Zumeist werden entsprechende Analysen in Form von Scher- oder Biegetests durchgeführt [15 – 17].

Ein Nachteil dieser etablierten Verfahren ist jedoch, dass es während der Testung häufig zu unerwünschten Spannungskonzentrationen und Spannungsgradienten im Verbundbereich kommt. Diese resultieren in einer starken Streuung der Verbundfestigkeitswerte [12, 18]. Im Rahmen dieser Untersuchungsmethoden werden die Ergebnisse zudem durch die Geometrie der Prüfkörper, die Art der Krafteinleitung oder auch durch die Materialeigenschaften der Komponenten stark beeinflusst. Diese Faktoren führen dazu, dass korrekte Aussagen zur tatsächlich vorliegenden Verbundfestigkeit mit den traditionellen Testverfahren kaum möglich sind. Das in der vorliegenden Untersuchung angewandte Verfahren ermöglicht demgegenüber zur Evaluation der Verbundfestigkeit eine stabile Rissausbreitung direkt im Kontaktbereich der Komponenten. Der Einfluss von Variablen wie Materialschichtstärken oder Materialkenndaten werden dabei berücksichtigt [19].

Der Haftverbund wurde jedoch nicht nur quantitativ in Form der Energiefreisetzungsraten, sondern auch qualitativ anhand von REM-Aufnahmen der frakturierten Prüfkörper untersucht. Auch hier zeigten sich zum Teil deutliche Unterschiede zwischen den Untersuchungsgruppen. Bei den Prüfkörpern ohne Primerapplikation konnten auf der Legierungsoberfläche Inseln von keramischen Anhaftungen beobachtet werden, die von Legierungsoxiden umgeben waren (Abb. 4). Diese Frakturoberfläche lässt darauf schließen, dass trotz gewissenhafter Verblendung durch einen erfahrenen Zahntechniker nur eine unzureichende Benetzung der Legierung durch die Opakermasse erreicht werden konnte. Die mangelhafte Benetzung wiederum führt dazu, dass die in der Einleitung beschriebenen relevanten Haftmechanismen nicht wirksam werden. Dies setzt zum einen die Verbundfestigkeit herab und ist zum anderen verantwortlich für technische Komplikationen während des Herstellungsprozesses wie Abplatzungen und Spannungsrisse in der keramischen Verblendschicht. Die Frakturoberflächen der Prüfkörper, die vor der Verblendung mit einem Primer behandelt wurden, wiesen demgegenüber deutlich andere Charakteristika auf. Hier zeigte sich eine homogen mit einer dünnen Schicht Keramik benetzte Oberfläche, Bereiche der Legierungsoberfläche, die nicht von der Keramikmasse benetzt waren, konnten nicht beobachtet werden (Abb. 5). Die Fraktur verlief gleichmäßig innerhalb der Opakerschicht. Dieses Frakturverhalten deutet darauf hin, das nach Applikation des Primers der Widerstand gegenüber einer Rissausbreitung im Kontaktbereich zwischen Legierung und Keramik größer war als der Widerstand gegenüber einer Rissausbreitung im Keramikmaterial selbst. Dieses Phänomen ist ein deutliches Indiz für die gute Verbundfestigkeit zwischen den Komponenten nach Primerapplikation.

Bereits in der Vergangenheit gab es verschiedene Ansätze, den Haftverbund zwischen NEM-Legierungen und Verblendkeramiken zu verbessern. Als Haftvermittler dienten kolloidale Goldsuspensionen, Metallbeschichtungen, hochschmelzende Opaquermassen mit Oxidanteil oder auch tribochemisch aufgebrachte Schichten [20 – 23]. Keine dieser Techniken konnte sich jedoch in der praktischen Anwendung durchsetzen. Zumeist waren keine Verbesserungen des Haftverbundes zu erzielen oder die Verfahren waren unpraktikabel und kostenintensiv. Der in der vorliegenden Studie untersuchte Primer hingegen stellt eine innovative Möglichkeit dar, den Haftverbund zwischen NEM-Legierungen und Verblendkeramiken mit geringem Aufwand zu optimieren.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse der vorliegenden experimentellen Untersuchung zeigen, dass durch die Applikation eines neuartigen oxidlösenden Primers der Haftverbund zwischen NEM-Legierungen (insbesondere Kobaltbasislegierungen) und Verblendkeramiken deutlich verbessert werden kann. Durch die Primerapplikation wird nicht nur die Benetzbarkeit der Legierungsoberflächen gesteigert, auch die Verbundfestigkeit zur Verblendkeramik wird erhöht. Gleichzeitig ist die Anwendung des Primers unkompliziert und effektiv in die labortechnische Routine implementierbar. 

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