Werkstoffe


Transluzentes Zirkonoxid – ein neuer Trend


Dank seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften ist Zirkonoxid als Gerüstmaterial für Verblendkeramiken vor allem im stärker belasteten Seitenzahngebiet geeignet. Um das Abplatzen der Verblendungen („Chipping“) zu minimieren und dadurch die Zuverlässigkeit keramischer Restaurationen weiter zu steigern, wurden die sogenannten „transluzenten“ Zirkonoxide entwickelt, die ohne Verblendkeramik auskommen. Im nachfolgenden Beitrag wird dieser neue Trend detailliert vorgestellt und kritisch beleuchtet.

Vollkeramische Restaurationen sind mittlerweile aus der zahnärztlichen Prothetik nicht mehr wegzudenken. Waren es anfangs hohe Misserfolgsraten mit Vollkeramik, z.B. bei der Mantelkrone („Jacketkrone“) und später bei Dicor [5], hat sich in den letzten Jahren die Zuverlässigkeit der vollkeramischen Restaurationen deutlich gesteigert und den gleichen, teilweise sogar besseren Erfolg gezeigt als metallkeramischer Zahnersatz [2], welcher in diesem Jahr sein 50-jähriges Jubiläum feiert. Moderne auf Feldspat basierende Keramiken (z.B. VITAblocs) erlauben die Herstellung von ästhetisch hochwertigen Einzelzahnversorgungen, die – natürlich auch abhängig von der Qualität der zahnärztlichen Vorbereitung und der folgenden zahntechnischen Ausführung – eine hohe Erfolgsrate aufzeigen und optisch meistens nicht von natürlichen Zähnen zu unterscheiden sind.

Die Verwendung von hochfesten Oxidkeramiken wie Aluminiumoxid und Zirkonoxid als Gerüstmaterial steigerte die Zuverlässigkeit keramischer Restaurationen, insbesondere Brückenkonstruktionen, vor allem im stärker belasteten und ästhetisch weniger relevanten Seitenzahngebiet. Mit Zirkonoxid als Gerüstmaterial sind dank der hohen Biegefestigkeit von über 1.000 MPa vollkeramische Brücken mit größerer Spannweite möglich [2]. Keramische Materialien verhalten sich in Bezug auf ihren Erfolg und auch gegenüber mechanischer Beanspruchung, wie Kaubewegungen, anders als Metalle. Kleine oberflächliche Risse an keramischen Restaurationen können sich unter Wechselbelastung (Kauen, Sprechen, Schlucken etc.) allmählich im Werkstoff ausdehnen und so über Monate und Jahre die keramische Versorgung schwächen, bis dies schließlich zum definitiven Versagen führt. Die Grundlage für den klinischen Erfolg vollkeramischer Restaurationen bilden daher nur belastbare und zuverlässige Materialien sowie ein „keramisches Denken“ bei Zahnärzten und Zahntechnikern [2]. Gerade die besonderen Eigenschaften von Keramiken erfordern eine sorgfältige und indikationsgerechte Auswahl der Materialien sowie eine gewissenhafte Verarbeitung. Der breite Einsatz nur unzureichend geprüfter Keramiksysteme hat Zahntechniker, Zahnärzte und Patienten in der Vergangenheit viel Lehrgeld gekostet und lässt uns alle heute hoffentlich verantwortungsvoller an die Verwendung und Verarbeitung einer Keramik herangehen [2].

Die bereits genannten Hochleistungskeramiken Zirkonoxid und Aluminiumoxid sind relativ lichtundurchlässig und damit aus ästhetischen Gründen als monolithisches Material nur bedingt geeignet. Aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften dienen sie jedoch hervorragend als Gerüstmaterialien für Verblendkeramiken. Untersuchungen bei bis zu fünfgliedrigen Brücken zeigten binnen eines 3½-jährigen Untersuchungszeitraumes keinerlei Gerüstfrakturen [6]. Ebenso konnten in einer klinischen Studie mit 30 Brücken in einem Zeitraum von 2 Jahren keine Gerüstfrakturen festgestellt werden [4].

Zirkonoxid verdankt seine hohe Biegefestigkeit und Risszähigkeit einem werkstoffkundlichen Kniff. Oberhalb von 1.173°C liegt Zirkonoxid in einer tetragonalen Kristallstruktur vor. Beim Abkühlen unter diese Temperatur wechselt der Werkstoff in eine monokline Symmetrie [1, 2]. Dieser Strukturwechsel ist mit einer Volumenzunahme von ca. 4 % verbunden. Zusatzstoffe wie beispielsweise Yttrium, Cerium oder Magnesium in oxidischer Form unterbinden diesen Wechsel, d.h., die tetragonale Kristallstruktur bleibt bis zur Raumtemperatur stabil, oder genauer, sie bleibt teilstabil. Kommt es zu einer Energiezufuhr, z.B. durch einen Riss in dem mit Yttriumoxid (im dentalen Bereich der meist verwendete Dotierstoff) verstärkten Zirkonoxid mit der tetragonalen Kristallstruktur, so erfolgt eine spontane Umwandlung zur monoklinen Kristallstruktur [1, 2, 8]. Die Energie, die für die Umwandlung benötigt wird, wird der Spannungsenergie am Rissende entzogen. Die mit der Umwandlung verbundene Volumenvergrößerung von 4 % hat zusammen mit dem Energieverlust des Risses zur Folge, dass die Rissausbreitung verlangsamt bzw. sogar gestoppt wird. Zudem wird im günstigsten Fall der schon vorhandene Riss durch das weniger dichte monokline Material wieder zusammengedrückt, sodass man von einer Art „Selbstheilungsprozess“ der Keramik sprechen kann [1, 2, 8].

Beim Verblenden der keramischen Gerüste kann grundsätzlich auf die bekannten Regeln für die Metallkeramik zurückgegriffen werden. Allerdings ist es im Vergleich zur Metallkeramik noch wesentlich wichtiger, dass das Gerüst anatomisch gestaltet wird, damit die Verblendkeramik eine möglichst gleichmäßige Schichtstärke aufweist. Ein langsames Abkühlen nach dem Brand hilft in jedem Fall, Spannungen zu vermeiden, denn Zirkonoxid weist eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf. Im Gegensatz zu Metallgerüsten verliert die verblendete Restauration ihre Hauptwärme über die Verblendung und nicht über das Gerüst. So ist das Spannungsbild innerhalb der Verblendschicht nach dem Brand deutlich anders [8]. Im klinischen Einsatz ist gerade das Abplatzen der Verblendung („Chipping“) ein großes Thema, da es Studien gibt, die von einem Verlust von bis zu 25 % innerhalb von 3 Jahren sprechen [6]. Die Studien, die vergleichbare und sogar bessere Ergebnisse zu metallgetragenem Zahnersatz lieferten, werden in diesem Zusammenhang gerne vergessen. So hat Professor Kerschbaum bei einer Zahnärzte vergleichenden Studie eine Ausfallrate von nur 3 % in einem Zeitraum von 5 Jahren bei vollkeramischem Zahnersatz belegt [3]. Wegen der hohen Verlustraten einiger klinischer Studien kamen mehrere Hersteller auf die Idee, Zirkonoxid ohne Verblendung einzusetzen. Die bekanntesten Anbieter sind dabei Glidewell mit seinem Produkt „BruxZir“ und Zirkonzahn mit seinem „Prettau-Zirkon“.

Doch ist Zirkonoxid überhaupt ohne Verblendung einsetzbar? Welchen Einflüssen ist unverblendetes Zirkonoxid in der Mundhöhle ausgesetzt und welche Auswirkungen hat dies auf die Langlebigkeit einer dentalen Restauration?

Man veränderte das Zirkonoxid, um damit ein ästhetisch ansprechendes Ergebnis zu erreichen, und variierte damit auch seine Eigenschaften im Vergleich zu den bisher bekannten Zirkonoxiden. Das Hauptaugenmerk legten die Entwickler auf die Transluzenz, da Zirkonoxid – wie bereits erwähnt – wenig lichtdurchscheinend ist (Transluzenz ist die partielle Lichtdurchlässigkeit eines Körpers und steht in Abgrenzung zur Transparenz [= Bild- oder Blickdurchlässigkeit]).

  • Abb. 1: Unterschiedlich gesintertes Zirkonoxid in 100.000-facher Vergrößerung: links bei 1.400°C gesintert, rechts bei 1.600°C.

  • Abb. 1: Unterschiedlich gesintertes Zirkonoxid in 100.000-facher Vergrößerung: links bei 1.400°C gesintert, rechts bei 1.600°C.
Wie ist eine höhere Transluzenz erreichbar? Je höher die Temperatur, bei der Zirkonoxid gesintert wird, desto größer ist das Kornwachstum. Das führt dazu, dass es weniger Korngrenzen gibt, an denen das Licht gestreut werden kann. Abbildung 1 zeigt unterschiedlich gesintertes Zirkonoxid eines Herstellers – einmal bei 1.400°C mit sehr vielen deutlich erkennbaren Korngrenzen und einmal bei 1.600°C gesintert mit deutlich weniger Korngrenzen und klar erkennbaren großen Körnern. Das Licht gelangt also besser durch eine Probe, die infolgedessen für den Betrachter transluzenter erscheint. Das bedeutet, wenn man – gemäß den Anweisungen eines Herstellers – Zirkonoxid bei 1.600°C sintert, erhält man einen Effekt zur Transluzenz hin, da man größere Körner und damit weniger Korngrenzen produziert. Allerdings werden dadurch auch alle anderen Eigenschaften, wie z.B. Biegefestigkeit und Langzeitstabilität, verändert.

Ein weiterer Punkt war das Verringern des Aluminiumoxid-Anteiles im Zirkonoxid. Aluminiumoxid wird an den Korngrenzen ausgeschieden und lagert sich dort an. Weniger Aluminiumoxid destabilisiert das Gefüge und macht es anfälliger für Einflüsse von außen, aber zusätzlich wird die Transmission des Lichtes weniger blockiert, was eine Erhöhung der Transluzenz zur Folge hat.

In einer Studie mit Plättchen (1 x 1 cm und 0,7 mm Dicke) wurden mehrere Zirkonoxide unterschiedlicher Hersteller untersucht. Mit einem speziellen Spektrometer (X-Rite) wurde zu diesem Zweck die Transmission über den gesamten Wellenlängenbereich gemessen, welcher für das menschliche Auge sichtbar ist (Abb. 2). Die Proben wurden zwischen Lichtquelle und Detektor geschaltet. In Abhängigkeit vom ausgesendeten Licht und dem, was nach dem Durchstrahlen der Probe zum Detektor gelangt, lässt sich die prozentuale Lichtdurchlässigkeit, also die Transmission, ermitteln. Interessanterweise lag der Wert für das bisher erhältliche VITA In-Ceram YZ (= Probe M mit 32,45 % Lichtdurchlässigkeit) nur geringfügig unterhalb des Maximalwertes. Dies bedeutet, dass die „hochtransluzenten“ Zirkonoxide keinesfalls optisch (für das menschliche Auge) transluzenter sind und erscheinen als das Standardmaterial. Die Messwerte und deren Relevanz werden auch unter Alltagsbedingungen deutlich, wenn man versucht, durch zwei gleich dicke Proben hindurch einen Schriftzug zu lesen, wie die Abbildung 3 verdeutlicht. Die linke Probe weist dabei den niedrigsten und die rechte Probe den höchsten Messwert auf. Einen deutlicheren Einfluss lässt hingegen eine Reduzierung der Schichtstärke erkennen, wie Abbildung 4 zeigt. Dieser Umstand macht es in der Praxis häufig unmöglich, verschiedene Materialien objektiv zu beurteilen. Um bei solch geringen Materialunterschieden eine Bewertung durchführen zu können, müssen Schichtstärke, Form und Oberflächenbehandlung absolut identisch sein. Ist für diesen Punkt diese Entwicklung also unsinnig? Wo liegt das Haupteinsatzgebiet monolithischer ZrO2-Kronen? Da selbst die höchsten Messwerte nicht mit dem Erscheinungsbild glaskeramischer Werkstoffe vergleichbar sind, konzentriert sich die Indikation auf den nicht direkt sichtbaren Seitenzahnbereich. Ein weiterer Aspekt ist die fehlende Fluoreszenz. Dieser Umstand erfordert folglich zwangsläufig eine Verblendung mit ästhetischen und fluoreszierenden Massen. Allerdings bedienen sich einige Hersteller einer Grauverfärbung durch Coloring Liquids, was dann wieder dem menschlichen Auge den transluzenteren Eindruck vortäuscht.

  • Abb. 2: X-Rite-Transluzenzmessungen.
  • Abb. 3: Gleich dicke Proben (0,7 mm Schichtdicke).
  • Abb. 2: X-Rite-Transluzenzmessungen.
  • Abb. 3: Gleich dicke Proben (0,7 mm Schichtdicke).

  • Abb. 4: Identisches Probenmaterial; links 0,3 mm, rechts 0,7 mm Schichtstärke.
  • Abb. 4: Identisches Probenmaterial; links 0,3 mm, rechts 0,7 mm Schichtstärke.

Ein großes Thema war bei Hüftimplantaten aus Zirkonoxid die sogenannte „Low Temperature Degradation“, d.h. ein bei niedriger (Körper-)Temperatur verursachtes Versagen. Bei den bekannten Ausfällen wurde durch Feuchtigkeit (Blut) sowie durch eine fehlerhafte Herstellung das Zirkonoxid umgewandelt, verbunden mit dem 4%igen Volumenzuwachs. Daraus entstanden Spannungen, was später zum Bruch der Hüftimplantate führte [1, 7]. Mittlerweile setzt man für Implantate (auch im Mund) meistens ein etwas anderes Zirkonoxid-„Komposit“ ein (ATZ oder ZTA), welches deutlich weniger anfällig ist für die besagte „Low Temperature Degradation“. Bei sehr geringen Zugaben von Al2O3, wie es in einer fast reinen Zirkonoxidkeramik vorliegt, ist das Aluminiumoxid in diesem Zusammenhang genauso ein Dotierstoff wie Y2O3 (= Yttriumoxid). Man ersetzt hier ebenfalls das Zr4+ mit einem Al3+ und erzeugt damit Leerstellen.

Das Zirkonoxid im dentalen Bereich wandelt sich (offen liegend) auch im oralen System um. Im Laufe der Zeit wird es dann möglicherweise – genau wie Hüftimplantate – brechen. Verblendetes Zirkonoxid besitzt durch die Verblendkeramik oder auch durch eine Glasurschicht einen Schutz, welcher eine mögliche Umwandlung verhindert [9]. Die „neuen“ transluzenten Zirkonoxide mit weniger Korngrenzen und geringerem Al2O3-Anteil reagieren viel schneller auf die besagte „Low Temperature Degradation“ und wandeln sich damit viel schneller um. Die Gefahr eines Bruches, ausgelöst durch die Umwandlung von der tetragonalen zur monoklinen Kristallstruktur, verbunden mit einem 4%igen Volumenzuwachs, ist somit bei diesen „neuen“ Zirkonoxiden deutlich höher. Bei dem Volumenzuwachs entstehen Risse innerhalb der Körner, die dann bei Belastungen aufbrechen können. Die geringere Alterungsbeständigkeit wird auch von einem der führenden japanischen Rohstofflieferanten für Zirkonoxid bestätigt.

  • Abb. 5: Links „transluzentes“ ZrO2, rechts das bisher eingesetzte ZrO2.

  • Abb. 5: Links „transluzentes“ ZrO2, rechts das bisher eingesetzte ZrO2.
In der Abbildung 5 ist der Vergleich anhand rasterelektronischer Bildaufnahmen von Keramikquerschnitten zu sehen. Innerhalb der gleichen Zeitachse ist das transluzentere Zirkonoxid deutlich stärker und schneller umgewandelt als das auf der rechten Seite befindliche Zirkonoxid, welches bisher eingesetzt wird. Außerdem kann man im umgewandelten Bereich Risse erkennen, die auf eine Volumenvergrößerung und damit auf Spannungen schließen lassen. Welche klinische Relevanz diese veränderten Eigenschaften haben, lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht eindeutig bestimmen.

Lange Zeit hätten vermutlich nur wenige daran gedacht, unverblendete Zirkonoxidrestaurationen einzugliedern – nicht nur wegen der erwähnten fragwürdigen Alterungsbeständigkeit bzw. ihrer unzureichenden Ästhetik, sondern auch aufgrund der für das Anwendungsgebiet eigentlich zu hohen Härte des Materials. Die Vorteile moderner Vollkeramik- und Verblendkeramiksysteme bestehen letztendlich darin, dass die Keramik so modifiziert wurde, dass sie in ihrem Abrasionsverhalten dem natürlichen Zahnschmelz möglichst nahe kommt. Nun belegen zahlreiche Studien mit unterschiedlichen Kausimulatoren, dass nicht die Härte eines Materials, sondern dessen Oberflächengüte vorrangig entscheidet, ob der Antagonist beschädigt wird. Eine Schlussfolgerung, die in fast allen Studien zu diesem Thema genannt wird, ist die Notwendigkeit einer hochglanzpolierten Oberfläche, wenn eine Zirkonoxidversorgung direkten Kontakt zum Gegenzahn hat. Wegen der deutlich feineren Mikrostruktur gegenüber gängigen Verblendkeramiken lässt sich mit geeigneten Instrumenten eine spiegelglatte Zirkonoxidoberfläche erzielen. Eine glatte Oberfläche erzeugt weniger Reibung und die hohe Härte führt dazu, dass diese auch nicht durch den Antagonisten aufgeraut wird.

Diese Ausgangssituation hält solange vor, bis die Kontaktpunkte eingeschliffen werden. Trotz der permanenten Weiterentwicklung von Scannern und Software müssen viele CAD/CAM-gefertigte Versorgungen dennoch im okklusalen Bereich manuell korrigiert werden, bevor die definitive Befestigung erfolgt. Durch den Einsatz von Diamantschleifern werden minimale Korrekturen vorgenommen, die an den entsprechenden Stellen eine raue, harte Oberfläche hinterlassen. Werden diese Stellen abschließend nicht wieder auf Hochglanz poliert, kann der Antagonist deutlich stärker abradiert werden, als dies mit einer normalen Verblendkeramik möglich wäre. Natürliche Zähne haben wiederum eine messbar andere Abrasion als Zirkonoxide, welche von Feldspat-Verblendkeramiken und auf Feldspat basierenden Vollkeramiksystemen mit einer Feinstruktur am besten simuliert werden. Ist es deshalb nicht sinnvoll, wenn Zahnersatz, der rein optisch in seiner Ästhetik schon der Natur entsprechen soll, so hergestellt wird, dass auch die Abrasion möglichst einem natürlichen Zahn entspricht? Dann würden Patienten im Laufe ihres Lebens keinen Unterschied zwischen ihren echten Zähnen und ihrem Zahnersatz merken.

Fazit

Befindet sich zumindest eine Glasurschicht auf dem Zirkonoxid, ist die Gefahr der Umwandlung geringer. Klinisch betrachtet ist es jedoch noch nicht klar, wie lange es dauert, bis eine solche transluzentere Brücke bricht und es Probleme für den Patienten gibt. In den vergangenen Jahren hat ein Umdenken von Zahnärzten und Zahntechnikern im Umgang mit Vollkeramik stattgefunden. Präparationsformen, Gestaltungsrichtlinien und optimierte Bearbeitungsverfahren haben letztendlich dazu geführt, dass die Ergebnisse aktueller Langzeitstudien mittlerweile den sog. „Goldstandard“ meist übertreffen. Aus diesem Grund ist es umso wichtiger, dass diese Erkenntnisse nicht wieder in Vergessenheit geraten, weil es sich beim Zirkonoxid schließlich um ein hochfestes Material handelt und das Thema „Chipping“ in Zeiten monolithischer Versorgungen kein Thema mehr ist. In dem Moment, in dem Materialien mit geringerer Alterungsbeständigkeit nicht mehr verblendet werden, im gleichen Atemzug die Mindestwandstärken reduziert werden und der Präparation sowie der Befestigung keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird, ist auch die Gefahr groß, dass ein eigentlich etabliertes Material negativ auffällt. Diese Gefahr lässt sich minimieren, wenn Zirkonoxid verblendet wird. Dabei kann bereits der Überzug mit einer Schmelzmasse deutliche Vorteile gegenüber einer monolithischen Versorgung bringen. Das Gerüst kann zuvor in einer anatomisch reduzierten Form hergestellt werden, was die anschließende Verblendung minimiert. Nicht nur die Ästhetik (inkl. Fluoreszenz) wird dadurch deutlich verbessert, auch das Einschleifen im Patientenmund wird vereinfacht und dem Antagonisten steht ein Material mit natürlichem Abrasionsverhalten gegenüber. 

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Dr. Michael J. Tholey

Bilder soweit nicht anders deklariert: Dr. Michael J. Tholey


Unsere ZTM-Print-Ausgaben

++++Die aktuelle Oktoberausgabe ist da!++++

Besuchen Sie uns doch mal auf unserer Facebookseite! Wir freuen uns über jeden Like und sind gespannt auf Anregungen, Kommentare, Kritik und Ideen für neue Themen!

Hier geht's direkt zur Seite