Digitale Systeme

Werkstoffkundliche Untersuchungen zur Dauerbelastbarkeit

Die digitale Fertigung von Klammerprothesen

LMU-Klammerstudie – Gruppe der Gussklammern.
LMU-Klammerstudie – Gruppe der Gussklammern.

Bei der Herstellung von Zahnersatz rücken additive digitale Fertigungsmöglichkeiten immer mehr in den Fokus. So können beispielsweise Einstückgussprothesen digital geplant und anschließend additiv mittels 3D-Drucker gefertigt werden. In verschiedenen Publikationen wird dabei insbesondere das Lasersinter-Verfahren favorisiert. Für eine endgültige Empfehlung bedarf es jedoch weiterer wissenschaftlicher Studien mit einem besonderen Augenmerk auf die Verankerungselemente. Im Folgenden werden die Ergebnisse einer In-vitro-Untersuchung an der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der LMU München zum Thema „Mechanische Qualität gegossener versus lasergesinterter Klammern für Modellgussprothesen“ vorgestellt.

Die Aufgabe von Zahnersatz sollte sein, langfristig eine stabile Situation im stomatognathen System zu erreichen. Das Schlüsselziel liegt darin, einen Einbruch der Okklusion, beispielsweise durch das Kippen der lückenbegrenzten Zähne und eine damit verbundene Elongation von Antagonisten, zu verhindern [1]. Dabei sollen die Kaukräfte durch den Zahnersatz möglichst gleichmäßig auf die Restzahnsubstanz und die unbezahnten Areale verteilt werden. Halteelemente des Zahnersatzes müssen daher sowohl Stütz-, Kraftverteilungs-, Führungs-, Schubverteilungs- und Kippmeiderfunktion haben [2].

Die Befestigung von Zahnersatz mithilfe von Klammern ist eine der ältesten Formen von Verankerungselementen [3]. Klammerverankerte Prothesen, welche auch als Einstückgussprothesen bezeichnet werden, sind eine sehr einfache Form des Zahnersatzes und zeigen eine große Variationsbreite, wodurch sie sehr universell einsetzbar sind [4].

Seit mehr als 100 Jahren sind klammerverankerte Prothesen eine probate Möglichkeit, um herausnehmbaren Zahnersatz gegen abziehende Kräfte, beispielsweise beim Sprechen oder Kauen, auf dem Kiefer in lagerichtiger Position zu halten und die Kaufkräfte möglichst gleichmäßig auf Restzähne und Weichgewebe zu verteilen. Dr. F.E. Roach schrieb 1930 im Journal of the American Dental Association [5]: „The clasp is the oldest and still is and probably will continue to be, the most practical and popular means of anchoring partial dentures.”

Bis zum Ende des Ersten Weltkrieges standen als mundbeständige Legierungen für Zahnersatz nur Goldlegierungen zur Verfügung. Mit der Verwendung von nicht rostendem V2A-Stahl (18/8-Stahl) (Krupp, Essen, D) hielt im selben Jahr erstmals ein Nichtedelmetall Einzug in die Zahnheilkunde. Diese von F. Hauptmeier für die dentale Anwendung vorgeschlagene Chrom-Nickel-Legierung hatte als Hauptbestandteil 18% Chrom und 8% Nickel [6].

Ab 1926 war es möglich, Chrom-Nickel-Bleche mit der Bezeichnung „Wipla“ zu stanzen und zu prägen und daraus Metallbasisplatten für Zahnersatz herzustellen. Die Verankerungselemente, wie beispielsweise Klammern, mussten mittels Fügetechniken (Löten, Schweißen) mit der Basisplatte verbunden werden.

Parallel zu der von der Firma Krupp getragenen Entwicklung der Stanz- und Prägetechnik wurden in den USA Gussverfahren für Nichtedelmetall-Legierungen entwickelt. 1931 stellten die Zahnärzte Roach, Kennedy und Cummer gegossene Teilprothesen aus Nichtedelmetall vor, die durch ihre grazile Gestaltung aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit gekennzeichnet waren.

Mit der Einführung von Co-Cr-Legierungen ab dem Jahr 1932 durch die Austenal-Laboratorien und R.W. Erdle und Ch. Prange war es möglich, die sogenannten „Modellgussprothesen“ im Gussverfahren herzustellen [7]. Die erste dafür geeignete Legierung war „Vitallium“, welche eine Legierung auf Kobalt-Chrom-Molybdän-Basis war (60% Kobalt, 30% Chrom, 5% Molybdän). Die hervorragenden Materialeigenschaften mit einem hohen Elastizitätsmodul führten dazu, dass diese Legierungen bis in die Gegenwart das Standardmaterial für die Versorgung mit Einstückgussprothesen sind [8].

Die Ney-Company veröffentlichte in den 50er-Jahren in den USA eine Broschüre mit dem Titel „Planned Partials“, welche 1956 von der Firma Degussa ins Deutsche übersetzt wurde. In dieser Veröffentlichung wurden 5 aufeinander abgestimmte Klammerformen vorgeschlagen, mit denen nach der Vermessung des Meistermodelles an allen Pfeilerzähnen etwa gleich große Klammerabzugskräfte erreicht werden konnten. Die Basis und die Klammern der Prothese wurden als eine starre Einheit gesehen, welche mittels Gusstechnik in einem Stück gegossen werden konnte [9].

Die Einführung von digitalen Verfahren zur Herstellung von Zahnersatz, wie beipsielsweise Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing (CAD/CAM) und additive Fertigungstechniken, bietet die Möglichkeit, Einstückgussprothesen digital zu planen und anschließend subtraktiv mittels CNC-Fräsmaschinen oder additiv mittels 3D-Drucker zu fertigen [10]. Dabei können indirekte und direkte Methoden differenziert werden.

Beim indirekten Verfahren werden die Gerüste in Wachs oder Kunststoff gedruckt und anschließend in Lost-Wax-Technik mittels Gusstechnik hergestellt. Beim direkten Verfahren wird der CAD-Datensatz der Konstruktion mittels Lasersinter-Verfahren unmittelbar in die Co-Cr-Legierung umgesetzt [11, 12, 13]. Das letztgenannte Verfahren war bis vor Kurzem noch im Prototypen-Stadium.

Seit November 2020 sind im direkten Verfahren hergestellte Klammerprothesen bei mehreren Anbietern kommerziell verfügbar. Aktuelle Publikationen sehen in der digitalen Fertigung mittels Lasersinter-Verfahren Vorteile in der Standardisierung, der verringerten Produktionszeit und dem einfachen Transfer von digitalen Daten. Derzeit wird die Wirtschaftlichkeit allerdings noch kritisch beurteilt [11, 14].

Um eine endgültige Empfehlung dieser Fertigungsweise auszusprechen, sind verschiedene wissenschaftliche Studien notwendig. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Verankerungselemente (Klammern) gelegt, da diese aufgrund ihrer Halte- und Stützfunktion hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Behr et al. [15] fanden in einer retrospektiven Studie von 174 Klammermodellgussprothesen, dass sich die häufigsten Brüche bei den Modellgussprothesen im Bereich der Klammern ereigneten. Nach 5 Jahren waren 80,4% und nach 10 Jahren 76,9% der Modellgussklammern intakt.

Grundlagen

Eine Modellgussprothese besteht nach Körber [16] aus den folgenden Bestandteilen:

  • Große und kleine Verbinder: Sie verbinden die einzelnen Elemente miteinander.
  • Basiselemente: Sie übertragen den Kaudruck auf die Gingiva.
  • Halteelemente: Sie sichern die Prothese gegen den Abzug.
  • Stützelemente: Sie übertragen den Kaudruck auf das Parodontium.

Die Gussklammern sind in der Regel kombinierte Halte- und Stützelemente. Um die Anforderungen an ein Halteelement erfüllen zu können, weisen Klammern verschiedene Bestandteile auf (Abb. 1 und 2):

  • Abb. 1: Schematische Darstellung der einzelnen Abschnitte einer Modellgussklammer von okklusal: 1 = Federarm (Klammerunterarm), 2 = Umfassung (Klammeroberarm) 3 = Auflage, 4 = Klammeranker.
  • Abb. 2: Modellgussklammer von bukkal. Der Klammerunterarm reicht in den untersichgehenden Bereich. 1 = anatomischer Äquator, 2 = prothetischer Äquator.
  • Abb. 1: Schematische Darstellung der einzelnen Abschnitte einer Modellgussklammer von okklusal: 1 = Federarm (Klammerunterarm), 2 = Umfassung (Klammeroberarm) 3 = Auflage, 4 = Klammeranker.
  • Abb. 2: Modellgussklammer von bukkal. Der Klammerunterarm reicht in den untersichgehenden Bereich. 1 = anatomischer Äquator, 2 = prothetischer Äquator.

  • Klammerunterarme: Diese üben die eigentliche Retentionsfunktion aus und liegen deshalb unterhalb des prothetischen Äquators und geben der Prothese Halt gegen Abzugskräfte.
  • Klammeroberarme: Gegenarme oder sogenannte Umläufe haben Führungsfunktionen und dienen der Stabilisierung bei Ein- und Ausgliederungsbewegungen.
  • Auflagen: Die Auflagen übertragen als Stützelemente okklusal einwirkende Kräfte auf die von den Klammern erfassten Parodontien.

Die Aufgabe der Schubverteilung wird von der gesamten Klammer übernommen.

Die elastischen Eigenschaften einer Klammer werden durch das Hooke‘sche Gesetz definiert [17]. In einer vereinfachten Formel für die Federkraft F einer Klammer kann diese wie folgt beschrieben werden [18]:

KürzelBezeichnungEinheit
FfedFederkraft[N]
sUnterschnittstiefe[mm]
cFederkonstante[N . m-1= kg . s-2]

Bei eingehender Betrachtung des Haltemechanismus einer Modellgussklammer sind allerdings weitere Aspekte zu berücksichtigen. So müssen insbesondere bei der Berechnung der Federkraft die Klammerlänge und das Klammerprofil berücksichtigt werden [18, 19, 20, 21, 22, 23, 24].

KürzelBezeichnungEinheit
FfedFederkraft[N]
EElastizitätsmodul[N/mm2]
sUnterschnittstiefe[mm]
LKlammerlänge[mm]

Die Klammerabzugskraft von Gussklammern sollte zwischen 4 und 10 Newton liegen [17, 18, 25, 26]. Ein Überschreiten des oberen Grenzwertes kann zu Schäden am Zahnhalteapparat führen.

Unterschnittstiefen

  • Abb. 3: Die Messteller nach Ney haben 3 verschiedene Tellerrandbreiten (0,25 mm, 0,50 mm und 0,75 mm).

  • Abb. 3: Die Messteller nach Ney haben 3 verschiedene Tellerrandbreiten (0,25 mm, 0,50 mm und 0,75 mm).
    © Schweiger
Im Ney-System werden 3 verschiedene Unterschnittsteller differenziert. Diese üblichen Messteller zeigen Unterschnittstiefen von 0,25 mm, 0,50 mm und 0,75 mm (Abb. 3). Da diese Messteller ursprünglich für Goldlegierungen vorgesehen waren, welche ein E-Modul von ca. 95.000 MPa aufweisen, wurde empfohlen, bei Co-Cr-Legierungen mit einem E-Modul von 190.000 MPa immer den kleinsten Unterschnittsteller von 0,25 mm zu verwenden [17].

Eine exakte Definition der Klammerretentionskraft ist daher mit diesen Unterschnittstellern nicht möglich. Nach Spiekermann/Gründler werden folgende Unterschnittstiefen für E-Klammern empfohlen:

  • E-Klammer Prämolar: 0,15–0,20 mm
  • E-Klammer Molar: 0,25–0,35 mm

Digitaler Einstückguss (Klammer-Modellguss) mittels 3D-Druck

Digitale Dentaltechnologien bieten inzwischen die Möglichkeit, Einstückgussprothesen digital zu planen und anschließend entweder subtraktiv mittels CNC-Fräsmaschinen oder aber additiv mittels 3D-Drucker zu fertigen. Dabei können beim 3D-Druck indirekte und direkte Methoden differenziert werden.

Grundlage für beide Verfahren bildet ein CAD-Datensatz. Beim indirekten Verfahren werden die Gerüste auf Basis der Konstruktionsdaten (Abb. 4) in Wachs oder Kunststoff gedruckt und anschließend in Lost-Wax-Technik mittels Gusstechnik hergestellt (Abb. 5).

  • Abb. 4: Fertige CAD-Konstruktion der Studien-Klammer (Verbindung an den Klammerspitzen dient der Formstabilität beim 3D-Druckvorgang und wird final abgetrennt).
  • Abb. 5: LMU-Klammerstudie – Gruppe der Gussklammern.
  • Abb. 4: Fertige CAD-Konstruktion der Studien-Klammer (Verbindung an den Klammerspitzen dient der Formstabilität beim 3D-Druckvorgang und wird final abgetrennt).
  • Abb. 5: LMU-Klammerstudie – Gruppe der Gussklammern.

  • Abb. 6: LMU-Klammerstudie – Gruppe der lasergesinterten Klammern.

  • Abb. 6: LMU-Klammerstudie – Gruppe der lasergesinterten Klammern.
    © Schweiger
Beim direkten Verfahren wird der CAD-Datensatz der Konstruktion mittels Lasersinter-Verfahren unmittelbar in die Co-Cr-Legierung umgesetzt (Abb. 6). Aktuelle Publikationen sehen in der digitalen Fertigung mittels Lasersinter-Verfahren Vorteile in der Standardisierung, der verringerten Produktionszeit und dem einfachen Transfer von digitalen Daten.

Dazu wurde inzwischen eine Reihe von wissenschaftlichen Studien publiziert. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Verankerungselemente (Klammern) gelegt, da diese aufgrund ihrer Halte- und Stützfunktion hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. In einer In-vitro-Untersuchung wurde an der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der LMU München die „mechanische Qualität gegossener versus lasergesinterter Klammern für Modellgussprothesen“ untersucht.

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Studie sind sehr vielversprechend und zeigen das hohe mechanische Potenzial und die exzellente Gefügequalität von lasergesinterten Klammern. Folgende Kernaussagen können auf der Basis dieser Studie getroffen werden [27]:

  1. Die notwendigen initialen Klammerabzugswerte konnten sowohl von den gegossenen als auch von den lasergesinterten Klammern erreicht werden. Nach künstlicher Alterung zeigte sich bei den lasergesinterten Klammern keine Abnahme der Retentionskraft (Abb. 7).
    • Abb. 7: Werte der Retentionskräfte der gegossenen und lasergesinterten Klammern initial und über die Zeit.
    • Abb. 7: Werte der Retentionskräfte der gegossenen und lasergesinterten Klammern initial und über die Zeit.
      © Schweiger

  2. Die Fehlstellen waren bei den lasergesinterten Klammern insgesamt kleiner und homogener verteilt als bei den gegossenen Klammern (Abb. 8).
    • Abb. 8: Beim Vergleich des gesamten Lunkervolumens/Klammer zeigen die lasergesinterten Klammern ein signifikant geringeres Fehlstellenvolumen als die gegossenen Klammern.
    • Abb. 8: Beim Vergleich des gesamten Lunkervolumens/Klammer zeigen die lasergesinterten Klammern ein signifikant geringeres Fehlstellenvolumen als die gegossenen Klammern.
      © Schweiger

  3. Im Langzeitverhalten zeigten lasergesinterte Klammern deutliche Vorteile gegenüber den gegossenen Klammern und somit eine mehr als doppelt so hohe Überlebenswahrscheinlichkeit. Ein Grund dafür könnte in der besseren Gefügequalität der lasergesinterten Klammern liegen (Abb. 9).
    • Abb. 9: Überlebenszeitanalyse mittels Kaplan-Meier-Kurve über einen Zeitraum von 60 Jahren.
    • Abb. 9: Überlebenszeitanalyse mittels Kaplan-Meier-Kurve über einen Zeitraum von 60 Jahren.
      © Schweiger

Fazit

Insgesamt bleibt festzustellen, dass die lasergesinterten Klammern in allen untersuchten Bereichen bessere Ergebnisse lieferten als die gegossenen Klammern. Dies deckt sich mit aktuellen Studien anderer Forschungsgruppen [28].

Allerdings konnte auch festgestellt werden, dass im Bereich der CAD-Software derzeit kein Programm vorhanden ist, welches die für ein reproduzierbares Erreichen der geforderten Abzugswerte notwendigen Einstellungs- und Konstruktionswerkzeuge anbietet [29]. Dies ist jedoch ein wesentlicher Baustein in der digitalen Prozesskette zur Fertigung von Modellgussprothesen im direkten Lasersinter-Verfahren.

Der Anteil an manuellen (analogen) Arbeitsschritten bei der Herstellung von Modellgussprothesen mittels Lasersinter-Verfahren ist beim derzeitigen Stand der Technik immer noch sehr groß. Gerade im Bereich des „Postprocessings“ nach dem Lasersintern müssen die meisten Schritte manuell durchgeführt werden.

Um hier die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und somit die Prozesssicherheit zu erhöhen, ist es notwendig, die Nachfolgeschritte so weit als möglich zu digitalisieren. Die durchgeführte Studie bildet die Basis für mögliche Weiterentwicklungen/Studien im Hinblick auf die CAD-Software, die Optimierung der digitalen Prozesskette sowie das Fertigungsverfahren selbst.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: ZT Josef Schweiger, M. Sc.


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