Werkstoffe


Schienenwerkstoffe für die digitale Fertigung

Gedruckte Schiene in verschiedenen Fertigungsstadien.
Gedruckte Schiene in verschiedenen Fertigungsstadien.

In der Schienenfertigung kommen diverse Verfahren und Materialien zum Einsatz. In Hinblick auf die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe bestehen teils große Unterschiede. Das Zusammenspiel der gewählten Komponenten kann die Schienenqualität signifikant beeinflussen. Wie und worauf insbesondere bei subtraktiven und additiven Verfahren zu achten ist, wird im Folgenden erläutert.

Schienen werden in der Zahnmedizin als Schutzschienen, Unterkieferprotrusionsschienen und zur Behandlung von craniomandibulären Dysfunktionen (CMD) angewendet. Sie werden standardmäßig gegossen oder im Tiefziehverfahren gefertigt sowie seit einigen Jahren in CAD/CAM-Verfahren hergestellt.

  • Abb. 1: Klinische Anforderungen an ein Schienenmaterial.

  • Abb. 1: Klinische Anforderungen an ein Schienenmaterial.
    © Dr. M. Schmidt (UKR)
Für die verschiedenen Verfahren werden unterschiedliche Materialien mit teilweise deutlich unterschiedlichen Eigenschaften verwendet. Für die verschiedenen Schienenwerkstoffe gelten allerdings dieselben klinischen Anforderungen (Abb. 1).

Die Art der Herstellung sowie die erforderliche Nachbearbeitung, Reinigung und Bearbeitung können sich deutlich auf die Eigenschaften der Schiene auswirken. Daher sollen im Folgenden die subtraktiven und additiven Verfahren zur Herstellung von Schienen erläutert werden. Adjustierte und nicht adjustierte Schienen Grundsätzlich kann man in der Zahnmedizin zwischen adjustierten und nicht adjustierten Schienen unterscheiden.

Zur Behandlung von craniomandibulären Dysfunktionen, zur Einstellung der Bisslage oder beim Management von Bruxismus werden adjustiertee Aufbissschienen eingesetzt [1,2]. Diese Schienen erfordern gegenüber einfachen, nicht adjustierten Schienen einen deutlich höheren diagnostischen und herstellungsbedingten Aufwand, da ein Registrat durchgeführt werden muss. Bei 2 von 3 Patientinnen bzw. Patienten mit arthralgischen Beschwerden führt eine Schienenbehandlung unabhängig vom individuellen Schienentyp zu einer Schmerzlinderung [3].

Kostengünstiger und weniger aufwendig sind nicht adjustierte Schienen, die als „Zahnschutz“ eingesetzt werden. Sie verhindern Zahnhartsubstanzverschleiß sowie Zahnfrakturen beim Sport. Primärer angestrebter Effekt dieser Schienen ist die Verringerung der Muskelaktivität [4] und eine Reduktion der Zahnabnutzung [5,6].

Werkstoffe und Anforderungen

Bis zu einer Tragedauer von 30 Tagen werden Schienenwerkstoffe nach dem MPG Klasse I klassifiziert. Sollen die Schienen darüber hinaus verwendet werden, so müssen sie die Zulassung in einer höheren MPG-Klasse besitzen. Abhängig von Indikation und Diagnose muss das entsprechende Material ausgewählt werden.

Patientinnen und Patienten mit Bruxismus setzen die Schienen üblicherweise während des Schlafens ein, während sich bei der CMD-Behandlung die Tragedauer von mehreren Stunden täglich bis 24/7 erstrecken kann. Der Einsatzzeitraum kann wenige Wochen bis hin zu einigen Jahren betragen.

Die Anwendungsdauer sowie die Belastung während der Anwendung wirken sich auf die Haltbarkeit der Schienen aus. In Abhängigkeit von den auftretenden Kaukräften können die Schienen unterschiedlich stark verschleißen oder frakturieren. Auch beim Einsetzen und der Herausnahme der Schiene können, bedingt durch die starken Biegungen und Torsionsbelastungen, Frakturen auftreten.

Zudem kann es zu Verfärbungen oder Verhärtungen, aber auch zu Erweichungen der Schienen durch Nahrungsmittel oder Medikamente kommen. Entscheidend für die Qualität der polymerbasierten Schienen sind physikalisch-chemische Eigenschaften sowie die Wasseraufnahme der Werkstoffe. Gerade die Wasseraufnahme der Schienenmaterialien unterscheidet sich von Produkt zu Produkt deutlich [7].

  • Abb. 2: Reinigungs- und Lagerungsoptionen.

  • Abb. 2: Reinigungs- und Lagerungsoptionen.
    © Dr. M. Schmidt (UKR)
Insgesamt sind daher die Handhabung und Pflege der Schiene für die klinische Beständigkeit von großer Bedeutung (Abb. 2). Patientinnen und Patienten sollten ausführlich über Reinigungs- und Lagerungsoptionen sowie die Pflege der Schienen informiert werden.

Tragekomfort: weich oder hart?

  • Abb. 3: Weiche und harte Schiene im Vergleich.

  • Abb. 3: Weiche und harte Schiene im Vergleich.
    © Dr. M. Schmidt (UKR)
Am Markt verfügbar sind weiche und harte Schienenmaterialien (Abb. 3). Harte Werkstoffe werden zum Management von Bruxismus und zur CMD-Therapie verwendet. Zur Einstellung und Einhaltung der Bisslage ist eine gute Formstabilität auch über einen längeren Zeitraum gefragt.

Oft gewährleisten nur harte Oberflächen hohe Beständigkeit und Stabilität, während im Gegensatz dazu weiche Schienen oder Schienenanteile den Tragekomfort verbessern. Verfügbar sind auch Multilayerschienen, die aus Schichten unterschiedlicher Werkstoffe zusammengefügt sind. Sie besitzen unterschiedliche Härten und Festigkeiten.

Als weniger störend und im Tragekomfort als angenehmer werden weiche Schienen empfunden. Die geringere Festigkeit und Härte haben jedoch oft den Preis einer geringeren Stabilität und eines höheren Verschleißes. Allerdings gilt, je weicher ein Schienenmaterial ist, desto geringer ist meist die Sprödigkeit und die damit verbundene Frakturanfälligkeit.

Auch Schienen aus thermoplastischen Werkstoffen können relativ weich sein und zeigen meist gute Trageeigenschaften. Sie sind durch Erwärmung formbar und können somit individualisiert werden. Oft werden Schienen auch individuell ergänzt, aufgebaut oder repariert, weshalb ein guter Verbund zwischen Schienenmaterial und Ergänzungs- bzw. Reparaturwerkstoff gefordert ist.

Die Digitalisierung

  • Abb. 4: Anschauungsmodell Schiene auf Modell.

  • Abb. 4: Anschauungsmodell Schiene auf Modell.
    © Dr. M. Schmidt (UKR)
Zur Fertigung der Schiene unterscheidet man analoge und digitale Verfahren. Analog hergestellte Schienen werden nach konventioneller Abformung aus gegossenen Methacrylat-Varianten oder aus tiefgezogenen thermoplastischen Materialien auf Arbeitsmodellen angefertigt (Abb. 4). Die Materialien für die analoge Fertigung sind Heiß- und Kaltpolymerisat, Tiefziehfolie oder auch lichthärtender Kunststoff.

Die computergestützte Fertigung beruht auf virtuellen Modellen der Mundsituation, die genutzt werden, um eine digitale Konstruktion der Schiene zu erstellen [7]. Die digitale Abformung kann mit einem intraoralen Scanner erfolgen, wobei standardisierte Scanstrategien die Qualität optimieren können.

Zudem ist es möglich, Kieferbewegungen aufzuzeichnen (z.B. Zebris) und diese bei der Schienenfertigung zu berücksichtigen. Darüber hinaus lassen sich ein Gipsmodell der Mundsituation sowie die vorab definierte Kieferrelation mittels geeigneter Scanner digitalisieren.

Die Schienenfertigung

Liegt die Schienenkonstruktion in einer digitalen Form vor (oft im STL-Format), kann sie im Anschluss entweder im subtraktiven oder additiven Verfahren hergestellt werden. Die Schiene lässt sich ohne Modellfertigung auch direkt erstellen, weshalb weniger Verarbeitungsfehler zu erwarten sind.

Digitale Schienen sind auf Grundlage des vorhandenen Datensatzes darüber hinaus leicht und schnell reproduzierbar. Die Vorteile einer CAD/CAM-basierten Herstellung liegen zudem im reduzierten Zeitaufwand für Konstruktion und Herstellung.

Subtraktive Fertigung

  • Abb. 5: Gefräste Schiene in der Ronde und herausgetrennt.

  • Abb. 5: Gefräste Schiene in der Ronde und herausgetrennt.
    © Dr. M. Schmidt (UKR)
Subtraktiv gefertigte Schienen werden aus industriell angefertigten Ronden in mehrachsigen Fräsmaschinen angefertigt (Abb. 5). Materialien sind Acrylharze (z.B. PMMA) und Copolymerisate (z.B. UDMA, Bis-GMA), Polycarbonate (PC), Polyamide (PA), Polyethylenterephthalate (PET oder PETG mit Glykol) für transparente Schienen. Für zahnfarbene Anwendungen werden Polyaryletherketone (PAEK), Polyoxymethylene (POM), Polycarbonate (PC) und Polymethylmethacrylate (PMMA) verwendet [8].

Die Materialien zeigen unterschiedliche mechanische Eigenschaften mit Elastizitätsmoduln zwischen 2 und 3 GPa und Biegefestigkeiten zwischen 70 und 150 MPa. Die Frässtrategie und die verwendeten Instrumente wirken sich bei der Bearbeitung in der Fräsmaschine auf die Qualität und Oberflächenstruktur der Schiene aus. So werden die Passung und die Qualität der Schiene vom Durchmesser und von der Qualität des kleinsten verwendeten Werkzeugs mitbestimmt.

Eine oberflächliche Politur der Schienen ist unerlässlich und garantiert die klinisch benötigten Oberflächenqualitäten. Bereits im Fräsvorgang muss eine gute Qualität der Schieneninnenseite erzielt werden, da die Schieneninnenseite wegen der geforderten Passung meist nicht oder nur wenig bearbeitet wird.

Aufgrund der standardisierten und gut kontrollierten industriellen Fertigungsbedingungen besitzen Schienenronden eine durchgehend einheitliche Struktur und geringe Fertigungstoleranzen. Aus einer Ronde können maximal 2 Schienen gefertigt werden, d.h. die subtraktive Fertigung ist mit einem relativ hohen Materialverlust verbunden.

Additive Fertigung

  • Abb. 6: Gedruckte Schienen hängend im 3D-Drucker.

  • Abb. 6: Gedruckte Schienen hängend im 3D-Drucker.
    © © H-J. Laberer, UKR
Additiv gefertigte Schienen werden in 3D-Druckern meist in Stereolithografieverfahren (SLA) oder Digitaler Lichtverarbeitung (DLP Digital Light Processing) aus flüssigen Druckharzen in Schichten gedruckt (Abb. 6). Als Monomere für die additiv zu verarbeitenden Materialien werden Acrylatmonomere und Methacrylatmonomere sowie deren Derivate verwendet [9]. Photoinitiatoren wie Diphenyl-(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphoroxid (TPO) sorgen für eine optimale Polymerisation der Harze.

Für den 3D-Druck müssen die Harzsysteme fließfähig sein. Diese Fließfähigkeit kann über das Harzgemisch und einen meist niedrigen Füllstoffgehalt gewährleistet werden. Additiv zu verarbeitende Polymere besitzen daher im Vergleich zu subtraktiv verarbeitbaren Systemen oft einen niedrigeren Füllstoffgehalt und damit verbunden auch geringere mechanische Festigkeiten.

Für die Generierung des sogenannten „Bauauftrags“ wird das digitale Modell der Schiene benötigt. Die digitale Schiene wird hierzu in einzelne 50–100 μm dicke Schichten zerlegt. Die Schichtdicken werden durch das verwendete Material, die Fertigungszeit und die Fertigungstechnologie definiert.

Die Stabilität und Qualität der additiv gefertigten Schiene werden von der Anzahl, Dicke und Ausrichtung der Schichten sowie von deren Ausrichtung auf der Bauteilplattform bestimmt. Für den Druck wird die digitale Schiene im virtuellen Bauraum der Fertigungseinheit positioniert. Die Qualität der Schienen wird durch deren Stabilisierung auf der Bauteilplattform mithilfe der Stützstrukturen gewährleistet.

  • Abb. 7: Gedruckte Schiene in verschiedenen Fertigungsstadien.

  • Abb. 7: Gedruckte Schiene in verschiedenen Fertigungsstadien.
    © Dr. M. Schmidt (UKR)
Stützstrukturen innerhalb der Schiene können zudem deren Stabilität erhöhen und den Verzug reduzieren. Nach der Übertragung des Bauauftrags kann die Schiene Layer für Layer gedruckt werden. Danach gilt es lediglich, den fertiggestellten Druck von den Stützstrukturen zu befreien und die Schienen zu reinigen (Abb. 7).

Während der Reinigung in einer Reinigungslösung (z.B. Isopropanol) werden nicht polymerisierte Monomere entfernt. Die komplette Reinigung der Schienen umfasst meist 2 bis 3 Reinigungsgänge, die manuell oder in sogenannten Waschstraßen automatisiert durchgeführt werden. Sowohl die Reinigung als auch die Nachhärtung der Schienen sind wichtig, da unpolymerisierte (Co-)Monomere und Additive unerwünschte Nebenwirkungen wie z.B. Reizungen oder Allergien auslösen können [10].

Die abschließende Polymerisation der Schienen erfolgt mit Wärme und Licht (LED- oder Xenonlicht, 386–405 nm), wobei Geräte und Materialien gut aufeinander abgestimmt sein müssen [11,12]. Hierbei verbessern sich Umsetzungsraten der Doppelbindungen und somit die mechanischen Eigenschaften der Schienen.

Eigenschaften der Schienenwerkstoffe

Im Allgemeinen besitzen subtraktiv verarbeitete CAD/CAM-Materialien bessere mechanische Eigenschaften als heißpolymerisierende oder gedruckte Polymere, da unter industriellen Bedingungen höhere Drücke und Temperaturen zur Optimierung der Polymerreaktion eingesetzt werden können [13]. Die dynamische Belastbarkeit von Schienenwerkstoffen aus additiver Fertigung hängt von der Art des Materials, der Reinigung und der Nachpolymerisation ab [14]. Materialien für die Fräsfertigung zeigen höhere Biegefestigkeiten und Härten sowie eine geringere Wassersorption und Löslichkeit als Werkstoffe für die 3D-Druckfertigung [15].

Gefräste Schienen auf Polycarbonatbasis besitzen eine höhere Bruchzähigkeit und Brucharbeit. Zudem haben sie eine geringere Wassersorption und Löslichkeit als Schienen auf Basis der Polymethylmethacrylate. Gefräste Schienen zeigen im Vergleich zu autopolymerisierenden Systemen höhere Biegefestigkeiten und Mikrohärte sowie eine geringe Wassersorption und Wasserlöslichkeit [16].

Tiefgezogene oder gegossene Methacrylat- und kombinierte Systeme weisen allerdings sogar im In-vitro-Vergleich zu gedruckten oder gefrästen Schienen eine längere simulierte Anwendungszeit und damit eine evtl. längere Lebensdauer auf [17]. Die Fertigung der Schienen und speziell die durch die Positionierung auf der Bauplattform erzielte Ausrichtung der Layer in der Schiene wirken sich auf die Druckfestigkeit der gedruckten Schienen aus. Ein senkrechter Druck erzeugt bessere mechanische Eigenschaften [18] und optimale Bruchfestigkeiten [19].

Es gilt, dass die Biegefestigkeit und die Oberflächenhärte mit abnehmender Druckschichtdicke zunehmen können [20]. Die Eigenschaften gedruckter Schienen können durch die Nachhärtung, die Druckschichtdicke oder auch eine Wasserlagerung beeinflusst werden.

Die optimale Kombination von Wärme und Licht während der Nachpolymerisation kann die mechanischen Eigenschaften und die Konversionsraten der Schienenmaterialien verbessern [20]. Auch die Härte von additiv gefertigten Schienen hängt von den Polymerisationsverfahren ab [21]. Somit können nicht nur der Typ des Drucksystems sowie die gewählten Nachhärtungsverfahren die mechanischen und Oberflächeneigenschaften einer Schiene mitbestimmen [22].

Der Druckwinkel, also die Ausrichtung der Schiene auf der Bauplattform, kann zudem die Polierbarkeit von Schienen beeinflussen. Werden Schienen in einem Druckwinkel von 0° zur Bauteilplattform gefertigt, erzielt man gute Glanzwerte und glatte Oberflächen [23].

Nach 4-wöchiger Lagerung oder auch nach Zahnbürstenabrasion werden viele gefräste und gedruckte Schienenwerkstoffe rauer, zeigen Verfärbungen oder Glanzverlust. Es konnte gezeigt werden, dass die Polierbarkeit bei härteren Materialien langfristig besser ist und dass diese auch glatter bleiben [25].

Die Art der Fertigung hat Einfluss auf die Präzision und Richtigkeit einer Schiene [26]. Gefräste und gedruckte Aufbissschienen zeigen eine ähnlich gute Genauigkeit [27]. Gefräste chirurgische Schienen zeigen hingegen eine bessere Passgenauigkeit als gedruckte [28].

Fazit

Die CAD/CAM-Verfahren ermöglichen die Herstellung von zahnmedizinischen Schienen mit einer Vielzahl verschiedener Werkstoffe und angepassten Eigenschaften. Die Konstruktion und Fertigungsverfahren wirken sich auf die Qualität der Schienen aus.

Auch die Reinigung, Nachpolymerisation und die Nachbearbeitung nach dem 3D-Druck sind für die Lebensdauer der Schienen von enormer Bedeutung. Eine Abstimmung der Zahnärztin oder des Zahnarztes mit dem dentalen Labor ist wesentlich, um die Gestaltung, den Einsatz und die Verarbeitung optimal auf die individuellen Erfordernisse anzupassen.

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Prof. Dr. Martin Rosentritt


Das interaktive ePaper der ZTM
csm ZTM Anzeige ePaper 150224.jpg 63adc2ea510c1374be9cfbf9d486e6a6 2175360ff6
Lesen Sie die ZTM digital mit vielen interaktiven Funktionen. Das ePaper erhalten Sie durch Abonnieren unseres kostenlosen Newsletters.