Werkstoffe

Funktion und Ästhetik – werkstoffwissenschaftlicher Hintergrund

Die vollanatomische Zirkonoxidrestauration

Arbeit in der CAD/CAM-Software.
Arbeit in der CAD/CAM-Software.

Voraussetzung für den Erfolg von vollanatomischem Zahnersatz aus Zirkonoxid sind Materialien mit hoher Lichttransmission sowie weitgehend automatisierte und zuverlässige Verfahren, die in ihrer Kombination so aufeinander abgestimmt sind, dass mit wenig Arbeitsaufwand für den Zahntechniker ein hohes Maß an Funktionalität und Ästhetik erreicht wird. Nachfolgend wird insbesondere auf die werkstoffwissenschaftlichen und optischen Grundlagen der neuen Generation des hochtransluzenten Zirkonoxides eingegangen. Darüber hinaus wird der zahntechnische Herstellungsprozess mit monolithischem Zirkonoxid und Maltechnik erläutert.

Der vollkeramische Zahnersatz ist längst keine reine „High-End-Versorgung“ für wenige mehr, sondern entwickelt sich hin zu einer qualitativ hochwertigen und ästhetischen Standardversorgung, die viele Vorteile im Vergleich zu anderen Versorgungen, wie z.B. NEM-Legierungen, aufweist. Damit diese aber dauerhaft erfolgreich ist, müssen neue ökonomische Herstellungsverfahren und die dazu geeigneten Werkstoffe für das Dentallabor bereitgestellt werden. Ein Ansatz für die besonders wirtschaftliche Herstellung von vollkeramischem Zahnersatz ist die vollanatomische bzw. monolithische Versorgung aus Zirkonoxid. Monolithisch (= aus einem Guss bzw. aus einem Stück) bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Zahnersatz nicht in mehreren Schichten aufgebaut ist, sondern eben aus einem Stück (Werkstoff) besteht. Diese Versorgungsform hat das Potenzial, sich als kostengünstige sowie ästhetische und langlebige Standardversorgung, vor allem für Anwendungen im Seitenzahnbereich, zu etablieren.

Die Motivation, die zur Entwicklung der vollanatomischen bzw. monolithischen ZrO2-Restauration geführt hat, war ganz klar der Wunsch nach einer besseren Alternative zur NEM- bzw. CoCr-Standardversorgung (Abb. 1). Die Vorteile dieser Art der Restauration im Vergleich zu CoCr sind hierbei wesentlich durch die Werkstoffeigenschaften des transluzenten Zirkonoxides geprägt:

  • kein Schichten, einfache und sichere Herstellung der Restauration
  • ökonomische Herstellung und Qualitätssicherung durch Automatisierung
  • kein Chipping
  • minimalinvasive Präparation und bei Platzmangel einsetzbar
  • höchste Biokompatibilität
  • geringe Wärmeleitfähigkeit
  • ästhetischer keramischer Werkstoff

Einen großen Beitrag zur ökonomischen Herstellung der Versorgungen liefert die zunehmend automatisierte und digitalisierte Prozesskette der CAD/CAMTechnologie (Abb. 2). Mit 5-Achs-Frässystemen, ausgestattet mit Blankmagazin, wie z.B. der ZENOTEC T1 (Abb. 3), aber auch mit der hochleistungsfähigen Einstiegsfräsmaschine ZENOTEC mini kann die Ausführung der vollanatomischen Restaurationen entweder über ein Wax-up oder mithilfe einer Zahnbibliothek erreicht werden, aus der dann das entsprechende anatomische Design ausgewählt werden kann. Durch den Einsatz von immer feineren Fräsern bis herab zu 0,3 mm können auch feinste Fissurendetails abgebildet werden (Abb. 4).

  • Abb. 1: Einfach ausgeführte monolithische Zirkonoxidversorgung im Vergleich zu einer CoCr-Standardversorgung.
  • Abb. 2: Die digitale Prozesskette ermöglicht eine zunehmend automatisierte Herstellung von Zahnersatz mit hoher Prozesssicherheit.
  • Abb. 1: Einfach ausgeführte monolithische Zirkonoxidversorgung im Vergleich zu einer CoCr-Standardversorgung.
  • Abb. 2: Die digitale Prozesskette ermöglicht eine zunehmend automatisierte Herstellung von Zahnersatz mit hoher Prozesssicherheit.

  • Abb. 3: 5-Achs-Fräsmaschine ZENOTEC T1 mit angeschlossenem Blankmagazin.
  • Abb. 4: Durch den Einsatz feinster Fräser (0,3 mm) werden immer detailliertere Ausarbeitungen insbesondere im Bereich der Fissurengestaltung möglich.
  • Abb. 3: 5-Achs-Fräsmaschine ZENOTEC T1 mit angeschlossenem Blankmagazin.
  • Abb. 4: Durch den Einsatz feinster Fräser (0,3 mm) werden immer detailliertere Ausarbeitungen insbesondere im Bereich der Fissurengestaltung möglich.

Mechanische Eigenschaften und Herstellprozess

  • Abb. 5: Bruchzähigkeit in Abhängigkeit von der Biegefestigkeit für keramische Werkstoffe der Dentaltechnik nach Filser et al. [1].

  • Abb. 5: Bruchzähigkeit in Abhängigkeit von der Biegefestigkeit für keramische Werkstoffe der Dentaltechnik nach Filser et al. [1].
Der monolithische Zahnersatz ist nicht neu; schon lange werden hierfür z.B. Gläser und Glaskeramiken eingesetzt. Aufgrund ihrer im Vergleich zum Zirkonoxid niedrigeren Festigkeit und Bruchzähigkeit (Abb. 5) ist der Indikationsbereich für diese Werkstoffklassen jedoch beschränkt [1, 2]. So unterliegen Werkstoffe mit einer Mindest-Biegefestigkeit von 100 MPa (Mittelwert), wie typische Vertreter der Verblend- und Feldspatkeramiken, entsprechend der Norm für „Zahnheilkunde – keramische Werkstoffe“ (ISO 6872), einer Beschränkung auf Einzelzahnversorgung (z.B. Kronen) im Front- bzw. Seitenzahnbereich [2]. Werkstoffe mit einer mittleren Biegefestigkeit von ? 300 MPa (z.B. Lithiumdisilikat) sind auf maximal dreigliedrige Restaurationen ohne Einbeziehung von Molarenrestaurationen beschränkt [2]. Aufgrund der hohen Biegefestigkeit des Zirkonoxides mit in der Regel über 1.000 MPa erweitert sich das Indikationsspektrum für vollanatomischen Zahnersatz nun auf vier- oder mehrgliedrigen Zahnersatz [2]. Die Normanforderung für die mittlere Biegefestigkeit (? 800 MPa) wird dabei von Zirkonoxidwerkstoffen meist deutlich übertroffen. Für Zirkonoxid als Gerüstmaterial ist die Zuverlässigkeit bereits hinlänglich nachgewiesen. Bei entsprechendem Gerüstdesign und keramikgerechter Verarbeitung ist eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren möglich [3].

Weitspannige Restaurationen, implantatgetragene Arbeiten mit Zahnfleischmaske, Brücken mit zwei zusammenhängenden Brückengliedern usw. sind bei keramikgerechtem Design und Verarbeitung daher auch für monolithische Versorgungen möglich. Mithilfe der entsprechenden Maltechnik sind ebenso Frontzahnrestaurationen ästhetisch ansprechend mit großer Farbsicherheit herstellbar (Abb. 6). Besonders bei geringem Platzangebot ist die monolithische Versorgung von Vorteil, da die Wandstärke im Vergleich zu verblendeten bzw. geschichteten Arbeiten reduziert werden kann. Der Normkronentest (Abb. 7a) zeigt anschaulich den Zugewinn an Festigkeit bei vollanatomischem Design im Vergleich zu einer Standardschichtung bzw. reduzierter Verblendung (Abb. 7b) [4]. Die ertragene Bruchlast beträgt hier für eine vollanatomische Fronzahnkrone mehr als das 2,5-Fache der standardverblendeten Zirkonoxidkrone.

  • Abb. 6: In der Maltechnik monolithisch ausgeführte Frontzahnarbeiten nach A-D-Farbschlüssel, basierend auf ZENOSTAR Zr Translucent.
  • Abb. 7a: Versuchsdesign Normkronentest [3].
  • Abb. 6: In der Maltechnik monolithisch ausgeführte Frontzahnarbeiten nach A-D-Farbschlüssel, basierend auf ZENOSTAR Zr Translucent.
  • Abb. 7a: Versuchsdesign Normkronentest [3].

  • Abb. 7b: Bruchlasten aus dem Normkronentest. Das monolithische Gerüstdesign liefert deutlich höhere Bruchlasten als manuell verblendete Kronen [3].
  • Abb. 7b: Bruchlasten aus dem Normkronentest. Das monolithische Gerüstdesign liefert deutlich höhere Bruchlasten als manuell verblendete Kronen [3].

Auch der Werkstoff Zirkonoxid (3Y-TZP: 3 mol% Yttria – Tetragonal Zirconia Polycrystals) selbst erfährt eine fortwährende Verbesserung hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften. Abbildung 8 zeigt die Entwicklung der typischen mittleren 3-Punkt-Biegefestigkeit von CAD/CAM-Zirkonoxid am Beispiel von ZENOTEC Zr und ZENOSTAR Zr im Zeitraum von 2005 bis heute. Diese Verbesserungen werden wesentlich durch die Weiterentwicklung der Rohstoffe sowie der Pulverpress- und Sintertechnologie erreicht. Denn eines ist klar: Ohne die geeigneten hochwertigen Rohstoffe, die am Anfang der Prozesskette stehen, lässt sich kein hochwertiges Produkt herstellen. Abbildung 9 zeigt ein granuliertes und gut fließfähiges Zirkonoxidpulver, hervorragend geeignet zum axialem Trockenpressen. Die ca. 50 ?m großen kugelförmigen Granalien bestehen aus ca. 0,4 ?m kleinen Einzelpartikeln, die durch einen speziellen Binder zusammengehalten werden. Die Kugelform und die Größe der Granalien sind so ausgeführt, dass eine Agglomeration der Granalien untereinander vermieden wird. Das gewährleistet eine überaus gute Dosierung und Befüllung der Pressmatrize. Der Binder macht die Granalien aber auch plastisch deformierbar, sodass sie sich beim Pressen ideal verformen lassen und sich so ein nahezu defektfreier und homogener Presskörper hoher Gründichte herstellen lässt.

  • Abb. 8: Entwicklung der typischen mittleren 3-Punkt-Biegefestigkeit von ZENOTEC und ZENOSTAR Zirkonoxid im Zeitraum von 2005 bis heute.
  • Abb. 9: Fließfähiges Zirkonoxidgranulat zum Trockenpressen.
  • Abb. 8: Entwicklung der typischen mittleren 3-Punkt-Biegefestigkeit von ZENOTEC und ZENOSTAR Zirkonoxid im Zeitraum von 2005 bis heute.
  • Abb. 9: Fließfähiges Zirkonoxidgranulat zum Trockenpressen.

Nach dem besonders schonenden Entbinderungsund Ansinterungsprozess steht nun ein sinteraktives Zirkonoxid mit deutlich verbesserter Alterungsbeständigkeit zur Verfügung, das bei einer vergleichsweise niedrigen Sintertemperatur von 1.450 °C zu hoher Transluzenz im Luftofen gesintert werden kann.

Optische Eigenschaften – Transluzenz – Farbkonzept

Die Ästhetik des Zahnersatzes entsteht dann, wenn die optischen Eigenschaften des natürlichen Zahnes möglichst gut und umfassend imitiert werden. Eine der wichtigsten optischen Eigenschaften ist neben der Farbe sicherlich die Lichtdurchlässigkeit (Lichttransmission). Um besser verstehen zu können, warum verschiedene Zirkonoxide weniger oder mehr transluzent sind, ist es sinnvoll, sich die Wechselwirkung des Lichtes mit dem Zirkonoxidgefüge einmal genauer anzusehen. Abbildung 10 zeigt schematisch, was beim Auftreffen und Durchgang des Lichtes durch eine Zirkonoxidprobe passiert. Ein nicht unwesentlicher Anteil des auftreffenden Lichtes wird direkt von der Oberfläche wieder reflektiert. Beim Zirkonoxid sind das aufgrund des hohen Brechungsindex (n ? 2,15) ca. 11– 12 % des einfallenden Lichtes je Seite. Somit kann die maximale Lichttransmission von reinem Zirkonoxid selbst unter idealen Bedingungen – abhängig von der Wellenlänge – kaum ca. 78 % überschreiten. Verfolgt man das Licht, welches in das Material eindringt, weiter, so findet man Orte, an denen das Licht gestreut wird. Dies sind im Wesentlichen Poren und Korngrenzen [5]. Die Lichtstreuung an diesen Grenzflächen verursacht auch die vom Betrachter wahrgenommene weiße Farbe des Zirkonoxides. Je größer die Anzahl der Streuzentren insbesondere der Poren ist, desto weißer erscheint die Keramik. Unterschiede im Weißegrad und der Transluzenz verschiedener Zirkonoxide werden aber auch durch die Größe und die Größenverteilung von Poren und Körnern verursacht.

Eine hohe Transluzenz kann also durch die Minimierung von Streuzentren wie Poren und anderen Grenzflächen in der Keramik erreicht werden (Abb. 10). Die hohe Transluzenz wie bei ZENOSTAR Zr Translucent (Abb. 13) wird wesentlich durch die konsequente Reduktion von Restporosität auf ein Minimum erreicht. So erreicht ZENOSTAR Zr Translucent auch im Vergleich zum Standard-Zirkonoxid wie z.B. ZENOTEC Zr Bridge (weiß) eine deutlich messbar höhere Sinterdichte (Abb. 11), also eine geringe Restporosität.

  • Abb. 10: Schematische Darstellung der Reflexionsund Streuverluste beim Lichtdurchgang durch ein typisches Zirkonoxidgefüge [nach 4].
  • Abb. 11: Typische Sinterdichte von ZENOTEC Zr Bridge (white) und ZENOSTAR Zr Translucent. Die theoretische Dichte von Zirkonoxid (3Y-TZP) beträgt 6,10 g/cm3.
  • Abb. 10: Schematische Darstellung der Reflexionsund Streuverluste beim Lichtdurchgang durch ein typisches Zirkonoxidgefüge [nach 4].
  • Abb. 11: Typische Sinterdichte von ZENOTEC Zr Bridge (white) und ZENOSTAR Zr Translucent. Die theoretische Dichte von Zirkonoxid (3Y-TZP) beträgt 6,10 g/cm3.

  • Abb. 12: Entstehung eines Doppelbildes aufgrund von Doppelbrechung am Beispiel eines Calcits.
  • Abb. 13: Lichttransmission für ZENOTEC-Zr- und ZENOSTAR-Zr-Produkte von 2005 bis heute. Die Probendicke beträgt 0,6 mm.
  • Abb. 12: Entstehung eines Doppelbildes aufgrund von Doppelbrechung am Beispiel eines Calcits.
  • Abb. 13: Lichttransmission für ZENOTEC-Zr- und ZENOSTAR-Zr-Produkte von 2005 bis heute. Die Probendicke beträgt 0,6 mm.

Die Lichtstreuung an den Korngrenzen ist insbesondere bedingt durch die Doppelbrechung und den hohen Brechungsindex des tetragonalen Zirkonoxidkristalls selbst. Die Doppelbrechung entsteht dadurch, dass der anisotrope, tetragonale Zirkonoxidkristall unterschiedliche Brechungsindizes in unterschiedlichen kristallografischen Achsen aufweist. Je stärker der Unterschied der Brechungsindizes im Kristall bzw. der Kristallite im polykristallinen Gefüge ist, desto stärker ist auch die Lichtstreuung, da Kristallite mit unterschiedlicher Ausrichtung ihrer Grenzflächen im Gefüge aufeinandertreffen. Abbildung 12 zeigt beispielhaft die optische Wirkung der Doppelbrechung auf eine Abbildung an einem Calcit (Doppelspat). Durchdringt der Lichtstrahl auf seinem Weg durch die Keramik weniger Korngrenzen, wie es bei hoch gesinterten grobkörnigen Keramiken der Fall ist, so wird auch weniger Licht gestreut. Das erklärt, warum eine Verbesserung der Lichttransmission durch größere Körner unter gewissen Voraussetzungen erzielbar ist. Dies sollte jedoch wenn möglich vermieden werden, da die damit verbundenen hohen Sintertemperaturen, insbesondere bei langen Haltezeiten, die hydrothermale Alterungsbeständigkeit unnötig verschlechtern [6].

Auch ein hoher Aluminiumoxidanteil im Zirkonoxid kann die Lichttransmission reduzieren. Bei ZENOSTAR Zr Translucent wurde auf Aluminiumoxid als stabilisierende Komponente nicht gänzlich verzichtet, jedoch wurde der Aluminiumoxidanteil auf ein notwendiges Maß reduziert. Mit ZENOSTAR Zr Translucent ist es somit gelungen, die gesamte keramische Prozesskette vom Pulverrohstoff über die Formgebung bis hin zur Endsinterung so aufeinander abzustimmen, dass sehr gute mechanische Eigenschaften (Abb. 8) sowie eine hohe Gesamt-Lichttransmission von ca. 41 % bei einer Probendicke von 0,6 mm (Abb. 13) in einem Werkstoff vereint werden konnten. Durch die spezielle chemische Zusammensetzung, die spezifischen Pulvereigenschaften und die relativ niedrige Sintertemperatur weist ZENOSTAR Zr Translucent ein Feinkorngefüge (Abb. 14) mit verbesserten mechanischen Eigenschaften sowie einer verbesserten hydrothermalen Alterungsstabilität im Vergleich zu typischen Vertretern hoch gesinterter transluzenter Zirkonoxide mit Grobkorngefüge auf. Durch ein speziell für diese Anwendung entwickeltes maßgeschneidertes Einfärbeverfahren für Zirkonoxidpulver ist es möglich, gefärbtes transluzentes Zirkonoxid herzustellen. Hierbei wurde besonderer Wert darauf gelegt, dass die Lichttransmission durch die Einfärbung möglichst wenig beeinflusst wird (Abb. 15).

  • Abb. 14: Gefüge von ZENOSTAR Zr Translucent pure, REM-Vergrößerung 10.000-fach.
  • Abb. 15: Einfluss der Probendicke und Farbe auf die Lichttransmission von ZENOSTAR Zr Translucent pure, light, medium, intense.
  • Abb. 14: Gefüge von ZENOSTAR Zr Translucent pure, REM-Vergrößerung 10.000-fach.
  • Abb. 15: Einfluss der Probendicke und Farbe auf die Lichttransmission von ZENOSTAR Zr Translucent pure, light, medium, intense.

Großen Einfluss auf die Transluzenz und die Farbe hat dagegen die Probendicke. So muss bei der Herstellung des Zahnersatzes immer bedacht werden, dass zunehmend dicke Wandstärken weniger transluzent und farbintensiver wirken als dünne Wandstärken (Abb. 15). Ebenso hat die Oberflächenqualität der Probe bzw. der Restauration einen nicht zu vernachlässigen Einfluss auf die Lichttransmission. Eine raue Oberfläche führt zu vermehrter Lichtstreuung, was insbesondere die gerichtete Lichttransmission der Probe stark reduzieren kann. So wird beispielsweise auch ein anfänglich transparentes Glas durch Aufrauen oder Mattieren der Oberfläche nahezu undurchsichtig und ist nach der Mattierung schließlich nur noch transluzent. Proben mit polierter Oberfläche zeigen daher die höchsten Werte der Lichttransmission.

Verarbeitung

Zur Herstellung von vollanatomischen Versorgungen stehen neben dem ungefärbten ZENOSTAR Zr Translucent pure derzeit drei unterschiedlich eingefärbte Zirkonoxid-Fräsrohlinge (ZENOSTAR Zr Translucent light, medium, intense) zur Verfügung (Abb. 16). Mit einem speziell auf diese Farben abgestimmten Malkonzept und Malfarbensortiment (ZENOSTAR Art Module) lassen sich aus den drei Grundfarben alle gängigen Zahnfarben realisieren (Abb. 16). Abbildung 17 zeigt die wesentlichen Arbeitsschritte zur Herstellung einer monolithischen ZENOSTAR-Krone. Bei vollantomischen Zahnersatz aus Zirkonoxid ist es wichtig, die Funktionsflächen immer gut auszupolieren, um die Abrasion am Antagonisten gering zu halten.

  • Abb. 16: Farbvielfalt mit ZENOSTAR Zr Translucent pure, light, medium und intense.
  • Abb. 17: Übersicht über den Herstellungsprozess von ZENOSTAR Zr Translucent monolithisch in der Maltechnik.
  • Abb. 16: Farbvielfalt mit ZENOSTAR Zr Translucent pure, light, medium und intense.
  • Abb. 17: Übersicht über den Herstellungsprozess von ZENOSTAR Zr Translucent monolithisch in der Maltechnik.

Auf sehr glattes, insbesondere poliertes Zirkonoxid ist es jedoch äußerst schwierig, Malfarben zu applizieren, da die Malfarben die Zirkonoxidoberfläche schlecht benetzen und dann zu Inselbildung neigen und sich von den Rändern zurückziehen. Durch den Auftrag einer Schicht Magic Glaze Sprühglasur und einen Brand wurde dieses Problem gelöst. Sobald die Zirkonoxidoberfläche mit einer dünnen Schicht Glasur benetzt ist, lassen sich die Malfarben spielend wie gewünscht auftragen. So lassen sich bereits heute ästhetisch ansprechende Ergebnisse auch im Frontzahnbereich (Abb. 6) erzielen. Durch das Aufbringen von Malfarben und einer Glasurschicht wird zudem die Zirkonoxidoberfläche vor dem direkten Kontakt mit Wasser geschützt, was auch die Gefahr einer Phasenumwandlung weiter deutlich reduzieren dürfte.

Fazit

Mit ZENOSTAR Zr Translucent steht nun ein hochmodernes Zirkonoxid für Dentalanwendungen zur Verfügung, das hohe Transluzenz durch konsequente Vermeidung von Restporosität, verbesserte Alterungsbeständigkeit durch vergleichbar niedrige Sintertemperaturen und überragende mechanische Eigenschaften in sich vereint. Das perfekt aufeinander abgestimmte Komplettsystem aus voreingefärbten ZENOSTAR Zr Translucent Rohlingen (light, medium, intense), dem Malfarbensortiment ZENOSTAR Art Module und ZENOSTAR Magic Glaze Spray ermöglicht dem Zahntechniker die ökonomische Herstellung von monolithischem Zahnersatz mit ansprechender Ästhetik und hoher Farbsicherheit.

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Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Dr. Jörg Reinshagen

Bilder soweit nicht anders deklariert: Dr. Jörg Reinshagen


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