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Update digitale Dentaltechnologie

Eine virtuelle Analyse und digitales Set-Up einer Totalprothese unter Zuhilfenahme eines Gesichtsscans (©Schweiger).
Eine virtuelle Analyse und digitales Set-Up einer Totalprothese unter Zuhilfenahme eines Gesichtsscans (©Schweiger).

Beim Expertise-Kongress der Zahntechnik plus-Veranstaltung des VDZI in Leipzig stellte Josef Schweiger im Rahmen seines Vortrags „Update digitale Dentaltechnologie“ neue innovative Technologien aus dem Bereich der digitalen Dentaltechnologie vor. Im Fokus der Betrachtung standen 5 Themen aus den Bereichen „Herausnehmbarer Zahnersatz“, „Festsitzender Zahnersatz“ und „Digitale Modellherstellung“, die nach Einschätzung des Autors künftig eine große Auswirkung auf die praktische Arbeit in Labor und Praxis haben werden. 

Herausnehmbarer Zahnersatz

Lange Zeit beschränkte sich die Anwendung digitaler Verfahren in der Dentaltechnologie auf die Herstellung von festsitzenden Versorgungen. Mittlerweile werden jedoch digitale Technologien auch für die Herstellung von herausnehmbarem Zahnersatz eingesetzt. Vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels scheint dieser Einsatz insbesondere für Modellgussprothesen und die Totalprothetik sehr interessant zu sein. Hierzu gibt es eine Reihe von hochinnovativen Technologien, die sowohl eine sehr effiziente als auch eine hochqualitative Anfertigung von herausnehmbarem Zahnersatz ermöglichen. Beispielhaft sind hierzu 2 Anwendungen dargestellt: digital gefertigte Modelguss- und Totalprothesen. 

 

Digitale Herstellung von Modellgussprothesen

Die CAD-Konstruktion von Modellgussprothesen gibt es inzwischen seit mehr als einem Jahrzehnt. Bis vor Kurzem beschränkte sich die Anwendung auf die indirekte Herstellung mittels 3D-Druck des Gerüstes inklusive Gusskanälen aus rückstandsfrei verbrennbarem Kunststoff für die Lost-Wax-Technik. Seit 2020 ist es möglich, Modellgussprothesen direkt aus dem CAD-Datensatz mittels SLM-Verfahren herzustellen. Wissenschaftliche Studien zeigen die hohe Materialgüte und die gute Passgenauigkeit dieser additiv gefertigten Modellgussgerüste [1]. Ein ganz aktueller Weiterentwicklungsschritt in diesem Bereich ist die Anwendung von 3D-gedruckten Prothesenzähnen für Modellgussprothesen. 

  • Abb. 1: Die CAD-Konstruktion einer Modellgussprothese erfolgt zusammen mit dem Design der Ersatzzähne.
  • Abb. 2: Die Ersatzzähne werden bereits beim Konstruktionsvorgang sowohl an die Klammerarme als auch an die Antagonisten angepasst.
  • Abb. 1: Die CAD-Konstruktion einer Modellgussprothese erfolgt zusammen mit dem Design der Ersatzzähne.
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  • Abb. 2: Die Ersatzzähne werden bereits beim Konstruktionsvorgang sowohl an die Klammerarme als auch an die Antagonisten angepasst.
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Der eigentliche Konstruktionsprozess erfolgt dabei gleichzeitig mit dem Design des Modellgussgerüstes (Abb. 1). Diese individuellen Prothesenzähne werden dabei sowohl an die Klammerschultern als auch an den Antagonisten angepasst (Abb. 2). Dies erspart nach dem 3D-Druck der Zähne aus Varseo- Smile Teeth-Material (BEGO) (Abb. 3 und 4) die kompletten Einschleifarbeiten. Die Zähne müssen lediglich poliert werden. Durch den Einsatz von Kompositmalfarben wie etwa GC Optiglaze (GC Germany) können die Zähne zusätzlich farblich individualisiert werden (Abb. 5). Der gesamte Workflow zeigt einerseits enorme Vorteile bei den Herstellungszeiten, andererseits ergeben sich erhebliche Einsparungen bei den Materialkosten. 

  • Abb. 3: 3D-Druck der Ersatzzähne aus VarseoSmile Teeth-Material (BEGO).
  • Abb. 4: 3D-Druck der Ersatzzähne aus VarseoSmile Teeth-Material (BEGO).
  • Abb. 3: 3D-Druck der Ersatzzähne aus VarseoSmile Teeth-Material (BEGO).
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  • Abb. 4: 3D-Druck der Ersatzzähne aus VarseoSmile Teeth-Material (BEGO).
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  • Abb. 5: Fertige Modellgussarbeit auf Meistermodell: Modellgussgerüst hergestellt mittels SLM-Verfahren, Prothesenzähne additiv gefertigt mittels DLP-Verfahren, Gingivakunststoffanteil hergestellt in analoger Kunststoff-Gießtechnik.
  • Abb. 5: Fertige Modellgussarbeit auf Meistermodell: Modellgussgerüst hergestellt mittels SLM-Verfahren, Prothesenzähne additiv gefertigt mittels DLP-Verfahren, Gingivakunststoffanteil hergestellt in analoger Kunststoff-Gießtechnik.
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Digitale Herstellung von Totalprothesen

Seit einigen Jahren bieten verschiedene Hersteller die Möglichkeit, Totalprothesen digital anzufertigen. Dabei unterscheiden sich die Herangehensweisen und die Umsetzung erheblich. Eine mögliche Einteilung der Systeme orientiert sich an der Art des Herstellungsweges [2]. Die Differenzierung erfolgt dabei nach dem technischen Herstellungsweg. Grundsätzlich lassen sich additive und subtraktive Verfahren unterscheiden, welche sowohl Vor- als auch Nachteile zeigen (Abb. 6).

 

  • Abb. 6: Einteilung der digitalen Fertigungskonzepte für Totalprothesen nach Schweiger.

  • Abb. 6: Einteilung der digitalen Fertigungskonzepte für Totalprothesen nach Schweiger.
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Insbesondere bei den additiven Herstellungswegen gibt es noch eine Reihe von Fragestellungen, die einer wissenschaftlichen Untersuchung und Beurteilung bedürfen [3]. Sehr vielversprechend scheint der volldigitale Ansatz mit einteiliger Konstruktion zu sein, wie es beispielsweise das Ivoclar Ivotion System (Ivoclar) vorsieht. Diese Technologie zeigt in der praktischen Anwendung eine hohe Materialgüte bei gleichzeitig überschaubarem Herstellungsaufwand und universeller Einsetzbarkeit. Der Einsatz eines IO-Scanners (3D-Intraoralscanner) für die digitale „Abformung“ ist in 3 verschiedenen Varianten möglich (Abb. 7).

 

  • Abb. 7: Der Einsatz eines IO-Scanners (3D-Intraoralscanner) für die digitale Abdrucknahme zur Herstellung von Totalprothesen ist in 3 verschiedenen Varianten möglich (in Zusammenarbeit mit Dr. Juliane Stumbaum).

  • Abb. 7: Der Einsatz eines IO-Scanners (3D-Intraoralscanner) für die digitale Abdrucknahme zur Herstellung von Totalprothesen ist in 3 verschiedenen Varianten möglich (in Zusammenarbeit mit Dr. Juliane Stumbaum).
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Die Kiefersituation im Mund kann direkt gescannt werden, wobei diese Herangehensweise von vielen Fachleuten kritisch beurteilt wird, oder ein Funktionsabdruck gemacht werden, der dann extraoral mittels IO-Scanner erfasst wird, sodass die Daten anschließend für die CAD-Konstruktion der Prothese anwendbar sind. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass man eine vorhandene Prothese komplett einscannt und so eine Art „Duplikatprothese“ anfertigt. Außerdem sind die Varianten 2 und 3 kombinierbar, d.h. man macht mit der vorhandenen Prothese eine Unterfütterungsabformung sowie eine Bissregistrierung und scannt dann anschließend die Prothesen komplett mit basaler und okklusaler Seite ein. Ein finaler Bissregistrierungsscan schließt die Datenerfassung ab (Abb. 8).

 

  • Abb. 8: Der Bissregistrierungsscan schließt die intraorale Datenerfassung ab.

  • Abb. 8: Der Bissregistrierungsscan schließt die intraorale Datenerfassung ab.
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Als sehr hilfreich bei der digitalen Herstellung von Totalprothesen wird ein Gesichtsscan (FaceScan) angesehen, der es dem Anwender erlauben soll, eine sogenannte „virtuelle Wachseinprobe“ zu machen [4]. Dabei lässt sich sowohl die schädelbezogene Ausrichtung der Okklusionsebene (zur Camper‘schen Ebene und Bipupillarlinie) kontrollieren als auch die Prothesenmitte mit der Gesichtsmitte abgleichen. Eine virtuelle schädelbezügliche Montage der Kiefer im digitalen Artikulator ist mittels Gesichtsscan ebenfalls in einfacher und schneller Weise möglich (Abb. 9 und 10).

 

  • Abb. 9: Virtuelle Analyse und digitales Set-up der Totalprothesen unter Zuhilfenahme eines Gesichtsscans.
  • Abb. 10: Virtuelle Analyse und digitales Set-up der Totalprothesen unter Zuhilfenahme eines Gesichtsscans.
  • Abb. 9: Virtuelle Analyse und digitales Set-up der Totalprothesen unter Zuhilfenahme eines Gesichtsscans.
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  • Abb. 10: Virtuelle Analyse und digitales Set-up der Totalprothesen unter Zuhilfenahme eines Gesichtsscans.
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Das erarbeitete digitale Set-up (Abb. 11) wird im nächsten Schritt als Vorpräparationsscan in eine Totalprothesen-CADSoftware von 3Shape geladen. Die Konstruktion der Totalprothese erfolgt als „Ivoclar Ivotion“-Prothese; dabei gilt es zusätzlich auch die lagerichtige Orientierung des Prothesenrohlings zu berücksichtigen, da dieser einteilige Rohling sowohl den Anteil für die Prothesenbasis als auch den Anteil für die Prothesenzähne enthält. 

  • Abb. 11: Digitales Set-up der Totalprothesen als Vorlage für die CAD-Konstruktion einer Ivoclar Ivotion-Prothese (Ivoclar).

  • Abb. 11: Digitales Set-up der Totalprothesen als Vorlage für die CAD-Konstruktion einer Ivoclar Ivotion-Prothese (Ivoclar).
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Die Grenzschicht zwischen den beiden Bereichen ist als sogenannte „Shell-Geometrie“ gestaltet, welche den Gingivaverlauf entlang der Zähne imitiert und so eine sehr natürliche Gestaltung der Totalprothese er möglicht (Abb. 12). Anhand eines Vorscans lassen sich in der Software die passenden Zähne für die Prothese hinsichtlich der Form und Größe aus einer Zahndatenbank aussuchen und lagerichtig positionieren (Abb. 13).

 

  • Abb. 12: Ivoclar Ivotion-Totalprothesen-Rohling mit sogenannter „Shell-Geometrie“ (innenliegende Grenzschicht zwischen rosafarbenem Prothesenbasisanteil und zahnfarbenem Prothesenzahnbereich).
  • Abb. 13: Auswahl der Prothesenzähne aus der Zahndatenbank und digitale Aufstellung der Prothesenzähne.
  • Abb. 12: Ivoclar Ivotion-Totalprothesen-Rohling mit sogenannter „Shell-Geometrie“ (innenliegende Grenzschicht zwischen rosafarbenem Prothesenbasisanteil und zahnfarbenem Prothesenzahnbereich).
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  • Abb. 13: Auswahl der Prothesenzähne aus der Zahndatenbank und digitale Aufstellung der Prothesenzähne.
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Zusätzlich erfolgt die Ausrichtung des virtuellen Rohlings anhand der Shell-Geometrie mit dem Ziel, eine möglichst optimale Adaption der Gingivaverlaufslinie in Relation zu den Zähnen zu erreichen (Abb. 14). Die Modellation der Gingivabereiche schließt den Konstruktionsprozess ab (Abb. 15). Nach dem CAD-Design werden die Daten im CAM5- Format gespeichert, welches alle notwendigen Zusatzinformationen für die CAM-Fertigung wie die Ausrichtung, Definition der Zähne und Prothesenbasis etc. enthält.

 

  • Abb. 14: Ausrichtung des virtuellen Rohlings anhand der Shell-Geometrie.
  • ©Abb. 15: Digital aufgestellte und digital ausmodellierte Totalprothesen.
  • Abb. 14: Ausrichtung des virtuellen Rohlings anhand der Shell-Geometrie.
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  • ©Abb. 15: Digital aufgestellte und digital ausmodellierte Totalprothesen.
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Für den Halt im Rohling werden 4 bis 5 Haltestege an der Prothesenbasisaußenseite erstellt (Abb. 16 und 17). Nach der Fräsbahnberechnung (Abb. 18 und 19) erfolgt anschließend im Postprocessing die Generierung der CNC-Files für die Fertigung in der speziellen Fräsmaschine. Der Fräsvorgang dauert durchschnittlich für eine Prothese ca. 60 Minuten.

 

  • Abb. 16: Für den Halt der Prothesen im Fräsrohling werden 4 bis 5 Haltestege an der Prothesenbasisaußenseite erzeugt.
  • Abb. 17: Für den Halt der Prothesen im Fräsrohling werden 4 bis 5 Haltestege an der Prothesenbasisaußenseite erzeugt.
  • Abb. 16: Für den Halt der Prothesen im Fräsrohling werden 4 bis 5 Haltestege an der Prothesenbasisaußenseite erzeugt.
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  • Abb. 17: Für den Halt der Prothesen im Fräsrohling werden 4 bis 5 Haltestege an der Prothesenbasisaußenseite erzeugt.
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  • Abb. 18: Die Fräsbahnberechnungen und die Generierung der CNC-Files schließen den CAM-Prozess ab.
  • Abb. 19: Die Fräsbahnberechnungen und die Generierung der CNC-Files schließen den CAM-Prozess ab.
  • Abb. 18: Die Fräsbahnberechnungen und die Generierung der CNC-Files schließen den CAM-Prozess ab.
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  • Abb. 19: Die Fräsbahnberechnungen und die Generierung der CNC-Files schließen den CAM-Prozess ab.
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Nach der CNC-Bearbeitung (Abb. 20 und 21) werden die Totalprothesen aus den Rohlingen herausgetrennt, die Haltestege verschliffen und kleine Ausarbeitungsschritte gemacht. Diese beschränkten sich auf das Separieren der Prothesenzähne, die Gestaltung der Oberflächentextur der Prothesenzähne und des Prothesenkörpers sowie die abschließende Politur (Abb. 22 und 23). Der dafür notwendige zeitliche Aufwand ist gering und erfordert ca. 30 Minuten je Prothese.

  • Abb. 20: Fertig gefräste Prothese.
  • Abb. 21: Fertig gefräste Prothese.
  • Abb. 20: Fertig gefräste Prothese.
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  • Abb. 21: Fertig gefräste Prothese.
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  • Abb. 22: Das Ausarbeiten der Totalprothesen beschränkt sich auf das Separieren der Prothesenzähne, die Gestaltung der Oberflächentextur der Prothesenzähne und des Prothesenkörpers sowie die finale Politur.
  • Abb. 23: Ivoclar Ivotion-Prothesen im Patientenmund (in Zusammenarbeit mit Dr. Juliane Stumbaum).
  • Abb. 22: Das Ausarbeiten der Totalprothesen beschränkt sich auf das Separieren der Prothesenzähne, die Gestaltung der Oberflächentextur der Prothesenzähne und des Prothesenkörpers sowie die finale Politur.
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  • Abb. 23: Ivoclar Ivotion-Prothesen im Patientenmund (in Zusammenarbeit mit Dr. Juliane Stumbaum).
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Update festsitzender Zahnersatz

Im Bereich der festsitzenden Versorgungen wird die klassische VMK-Technik durch vollkeramische Restaurationsformen verdrängt. Die Gründe sind vielfältig, wobei besonders die hervorragende Ästhetik und Biokompatibilität der Vollkeramiken als Auslöser dieser Entwicklung zu sehen sind. Der Fokus der Innovationen wurde in den letzten Jahren verstärkt auf den Bereich der hochtransluzenten Zirkoniumdioxide gelegt. Monolithische vollanatomische Kronen und Brücken lassen sich mittels der neuen Generationen der hochtransluzenten Zirkoniumdioxide sehr effizient und ästhetisch ansprechend herstellen.  

Subtraktive Fertigung vollanatomischer monolithischer Restaurationen aus Zirkoniumdioxid

Unter der Vielzahl von vollkeramischen Gerüstmaterialien zeigt Zirkoniumdioxid aufgrund seiner Transformationsverstärkung im Vergleich zu allen anderen vollkeramischen Materialien die besten mechanischen Eigenschaften [5,6,7,8]. Allerdings mussten auch für vollkeramische Restaurationen auf der Basis von Zirkonoxid- Gerüsten klinische Rückschläge verzeichnet werden. An erster Stelle sind hier Abplatzungen der Verblendkeramik, das sogenannte „Chipping“, zu nennen. Während Brüche der Zirkoniumdioxidgerüste nur sehr selten dokumentiert wurden, waren Abplatzungen im Bereich der Verblendungen ein sehr häufig berichtetes Schadensereignis [9,10]. Ein möglicher Ansatz zur Vermeidung der Chipping-Problematik ist die Herstellung von vollanatomischen monolithischen Zirkonoxidkronen und -brücken ohne Verblendschicht. Der wesentliche klinische Vorteil monolithischer Zirkoniumdioxidrestaurationen liegt in den signifikant reduzierten Materialstärken im Vergleich zu verblendeten Versorgungen oder anderen monolithischen Keramiken, wie beispielsweise Silikatkeramiken [11,12].

Insbesondere im Vergleich zu manuell verblendeten Kronen- und Brückenversorgungen aus Zirkoniumdioxid sind monolithische Versorgungen wesentlich preisgünstiger herzustellen. Das klassische Zirkoniumdioxid mit einem Anteil von 3 Mol%-Yttriumoxid (3Y-TZP = yttriumoxide -stabilized tetragonal zirconia polycrystal) ist bei Raumtemperatur in der tetragonalen Phase stabilisiert. Dies ermöglicht die sogenannte Umwandlungsverstärkung, die bei hoher mechanischer Belastung eintritt und eine Umwandlung von der tetragonalen zur monoklinen Phase bewirkt. Mittels der dabei verursachten Volumenzunahme von 4% werden entstehende Rissflanken quasi zusammengedrückt.

Aufgrund der damit verbundenen guten mechanischen Eigenschaften und insbesondere der hohen Risszähigkeit ist 3Y-TZP hervorragend für den dentalen Einsatz geeignet. Allerdings ist diese Oxidkeramik sehr opak, sodass ein Einsatz für monolithische Versorgungen mit großen ästhetischen Einbußen verbunden ist. Um hier den erhöhten Anforderungen an die Transluzenz Rechnung zu tragen, haben die meisten dentalen Zirkonoxid-Hersteller verschiedene Ansätze gefunden. Einerseits lässt sich die Lichttransmission dadurch steigern, dass man den Anteil von Aluminiumoxid reduziert oder andererseits den Anteil an Yttriumoxid erhöht. Beispiele dafür sind Zirkoniumdioxide mit 4 Mol% bzw. 5 Mol% Yttriumoxid-Anteil. Bei diesen sogenannten kubischen Zirkoniumdioxiden (z.B. 5Y-CZP) befinden sich mehr als 50% des Zirkoniumdioxids in der kubischen Phase. Eine weitergehende Entwicklung im Bereich der transluzenten Zirkoniumdioxide ist kubisches Zirkonia mit fluoreszierenden Eigenschaften bei gleichzeitigem Farbgradienten (Lava Esthetic, 3M) (Abb. 24)

  • Abb. 24: Eine weitergehende Entwicklung im Bereich der transluzenten Zirkoniumdioxide ist kubisches Zirkonia mit fluoreszierenden Eigenschaften bei gleichzeitigem Farbgradienten (Lava Esthetic, 3M).

  • Abb. 24: Eine weitergehende Entwicklung im Bereich der transluzenten Zirkoniumdioxide ist kubisches Zirkonia mit fluoreszierenden Eigenschaften bei gleichzeitigem Farbgradienten (Lava Esthetic, 3M).
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Durch diese Kombination kommt man dem tatsächlichen Erscheinungsbild natürlicher Zähne schon sehr nahe, bei einem zudem sehr effizienten Workflow mit einfachen Verarbeitungsschritten und einer dementsprechend günstigen Kostenstruktur [13, 14]. Noch einen Schritt weiter gehen Zirkoniumdioxide in der sogenannten „Gradienten-Technologie“. Dabei werden Rohlinge verwendet, die aus Schichten unterschiedlicher Zirkoniumdioxide bestehen.

Die Gradierung innerhalb der Rohlinge betrifft einerseits die Materialfestigkeit, andererseits die Materialfarbe sowie die Transluzenz (Abb. 25). Aktuell werden Zirkonoxidronden angeboten, die im basalen Bereich ein klassisches 3Y-TZP-Material aufweisen, während der okklusale/inzisale Bereich aus 5Y-CZP-Zirkonoxid besteht. Auch Gradienten aus 4Y-TZP (basal) und 5Y-CZP (inzisal) sind inzwischen erhältlich. Beispiele für Zirkoniumdioxide der Gradienten-Technologie wären u.a. IPS e.maxZirCAD Prime, IPS e.maxZirCAD Prime Esthetic (beides Ivoclar), Katana YML (Kuraray), SHOFU Disk ZR Lucent Supra (Shofu Dental), Priti multidisc ZrO2 Multi Translucent (pritidenta) oder Cercon htML (Dentsply Sirona).

  • Abb. 25: Die Gradienten-Technologie ist die aktuellste Entwicklung im Bereich der Zirkoniumdioxide. Die Rohlinge weisen dabei sowohl einen Farb- und Transluzenz- als auch einen Materialgradienten auf.

  • Abb. 25: Die Gradienten-Technologie ist die aktuellste Entwicklung im Bereich der Zirkoniumdioxide. Die Rohlinge weisen dabei sowohl einen Farb- und Transluzenz- als auch einen Materialgradienten auf.
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Additive Fertigung vollkeramischer Restaurationen aus Zirkoniumdioxid

Die etablierten Verfahren zur Herstellung von vollkeramischen Versorgungen sind Schicht- und Presstechniken sowie subtraktive Verfahren mittels CAD/ CAM-Technologie. Der Einsatz von additiven Verfahren zur Herstellung von vollkeramischen Restaurationen wurde im Jahr 2019 vorgestellt [15]. Dabei wurde weltweit erstmals die Möglichkeit gezeigt, mittels Lithoz LCM-Verfahren (LCM = lithography-based ceramic manufacturing) vollanatomische monolithische Kronen sowie Kronen- und Brückengerüste aus Zirkoniumdioxid additiv herzustellen. Nach dem 3D-Druck liegen die Kronen als sogenannter „Grünling“ vor. Er enthält das organische Bindermaterial und muss daher im nächsten Schritt „entbindert“ werden. Dieser Prozess erfolgt bei ansteigender Temperatur bis 1000 °C über einen Zeitraum von mehreren Stunden. Dabei entsteht der sogenannte „Weißling“, welcher keinen Binder mehr enthält und bereits Sinterbrücken ausgebildet hat, sodass das Bauteil nicht mehr zerfallen kann.

Im Weißlings-Zustand erfolgt dann die individuelle Einfärbung durch Färbelösungen, wobei 3 Varianten möglich sind: Tauchen der Krone in die Färbelösung; individuelles Bemalen der Krone mittels Pinsel und Färbelösung; Kombination aus Tauchen und Malen. Im Verlauf der Entwicklung hat sich die 3. Variante als ideal erwiesen. Dabei erfolgt die Grundkolorierung durch Tauchen, während anschließend die individuelle Adaption durch verschiedene intensive Färbelösungen – insbesondere im Kronenrandbereich und im Inzisal-/ Kauflächenbereich – vorgenommen wird (Abb. 26). Nach dem Einfärben ist es wichtig, dass die Kronen vor dem finalen Sinterprozess getrocknet werden. Dazu nutzt man idealerweise eine Infrarotlampe. Der Sinterprozess erfolgt bei 1600 °C. Die Aufheizrate beträgt 8 °C/min, bei einer Haltezeit auf Endtemperatur von 2 Stunden. Die Abkühlrate beträgt 8 °C/min bis auf 500 °C, danach gilt es bis auf Raumtemperatur abkühlen zu lassen. Zum Finalisieren der Kronenrestaurationen werden jeweils ein Malfarben- und ein Glasurmassebrand durchgeführt (Abb. 27).

 

  • Abb. 26: Individuelles Einfärben einer mittels Lithoz LCM-Verfahren additiv gefertigten Krone aus Zirkonia im sogenannten „Weißling“-Zustand.
  • Abb. 27: Mittels Lithoz LCM-Verfahren gefertigte Krone aus Zirkonia (3Y-TZP) in den 3 verschiedenen Fertigungsphasen (v.l.n.r.): Grünling; Weißling; dichtgesintert mit Malfarben- und Glasurmassebrand.
  • Abb. 26: Individuelles Einfärben einer mittels Lithoz LCM-Verfahren additiv gefertigten Krone aus Zirkonia im sogenannten „Weißling“-Zustand.
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  • Abb. 27: Mittels Lithoz LCM-Verfahren gefertigte Krone aus Zirkonia (3Y-TZP) in den 3 verschiedenen Fertigungsphasen (v.l.n.r.): Grünling; Weißling; dichtgesintert mit Malfarben- und Glasurmassebrand.
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Additive Fertigung vollkeramischer Restaurationen aus Lithium-Disilikat

Anhand von 5 Unterkieferkronen im 3. Quadranten (Regio 33–37) soll der aktuelle Stand der Technik im dentalen 3D-Druck von Lithium- Disilikat im Sinne eines labortechnischen „Proof of Concept“ – also eines Machbarkeitsnachweises – dargestellt werden. Nach einer klassischen analogen Abformung mit Anfertigung eines Meistermodells aus Gips erfolgte die CAD-Konstruktion und anschließende Fertigung mittels Lithoz LCM-Verfahren. Nach dem Entbindern und Kristallisieren wurden die Kronen mit einem Malfarben- und Glasurmassebrand fertiggestellt. Die dreidimensionale Erfassung des Meistermodells und des Gegenkiefermodells erfolgte mithilfe des Labor-Streifenweißlichtscanners S 900 (Zirkonzahn). Im Anschluss wurden 5 vollanatomische Kronen (Kronen 33, 37 auf natürlichem Pfeiler, Kronen 34, 35, 36 auf Implantatabutments) mittels der Dental-CAD-Software Modellier (Zirkonzahn) konstruiert (Abb. 28).

  • Abb. 28: CAD-Konstruktion von 5 Seitenzahnkronen mittels der Dental-CAD-Software Modellier (Zirkonzahn) in den verschiedenen Ansichten.
  • Abb. 29: Mittels Lithoz CeraFab S65 Medical-3D-Drucker im LCM-Verfahren hergestellte Kronen aus Lithiumdisilikat mit Stützstrukturen nach dem Kristallisationsbrand.
  • Abb. 28: CAD-Konstruktion von 5 Seitenzahnkronen mittels der Dental-CAD-Software Modellier (Zirkonzahn) in den verschiedenen Ansichten.
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  • Abb. 29: Mittels Lithoz CeraFab S65 Medical-3D-Drucker im LCM-Verfahren hergestellte Kronen aus Lithiumdisilikat mit Stützstrukturen nach dem Kristallisationsbrand.
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Für den eigentlichen Druckvorgang wurden die Kronenkonstruktionen mit Supportstrukturen versehen. Anschließend wurden die Kronen mit dem 3D-Drucker CeraFab S65 Medical im LCM-Verfahren hergestellt. Das verwendete Material war klassisches Lithium- Disilikat (Ivoclar), welches in einem Schlicker aus Keramikpartikeln und photosensitiven organischen Bindern vorlag. Nach dem 3D-Druckvorgang konnten die Kronen inklusive Stützstrukturen im sogenannten „Grünlings-Zustand“ aus dem 3D-Drucker entnommen werden. Im Folgeschritt wurden die Bauteile von überschüssigem, nicht ausgehärtetem Keramikschlicker gereinigt und anschließend in einem thermischen Prozess entbindert und kristallisiert. Die Reinigung erfolgte mittels Airbrush Pistole in der CeraCleaning Station Ultra (Lithoz) mit dem Reinigungsmittel LithaSol 20 (Lithoz). Nach dem Kristallisationsbrand (Abb. 29) wurden die Stützstrukturen mit einer Laborturbine unter Wasserküh- Verfahlung abgetrennt und verschliffen sowie die approximalen und okklusalen Kontakte auf dem Meistermodell angepasst.

Zum Finalisieren der Kronenrestaurationen wurden jeweils ein Malfarben- und ein Glasurmassebrand durchgeführt. Diese erfolgten bei einer Temperatur von 710 °C. Im dargestellten Fall wurden dafür die IPS Ivocolor-Malfarben (Ivoclar) verwendet (Abb. 30 bis 32). Die Transluzenz und das ästhetische Gesamtergebnis konnten als sehr gut beurteilt werden. Derzeit sind nur eine Dentinfarbe und eine Schneidefarbe verfügbar. Die Passung auf den natürlichen Pfeilern und die Passung auf den Implantatabutments waren sehr gut. Die perfekte Wiedergabe der scharfkantigen Kronenränder sowie die exakte Wiedergabe der Kauflächen mit scharfer und natürlicher Darstellung der Fissuren fielen besonders ins Auge. Da bei der subtraktiven Bearbeitung immer eine Kronenrandverstärkung notwendig ist und aufgrund des endlichen Durchmessers der Fräser die Kauflächenfissuren immer gerundet dargestellt werden, erweist sich die additive Fertigung hier als sehr vorteilhaft. Einen gewissen zeitlichen Aufwand stellte allerdings das Verschleifen der Haltepunkte der Stützstrukturen dar.

  • Abb. 30.: Additiv gefertigte Kronen aus Lithiumdisilikat nach dem Malfarben- und Glasurmassebrand.
  • Abb. 31: Additiv gefertigte Kronen aus Lithiumdisilikat nach dem Malfarben- und Glasurmassebrand
  • Abb. 30.: Additiv gefertigte Kronen aus Lithiumdisilikat nach dem Malfarben- und Glasurmassebrand.
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  • Abb. 31: Additiv gefertigte Kronen aus Lithiumdisilikat nach dem Malfarben- und Glasurmassebrand
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  • Abb. 32: Additiv gefertigte Kronen aus Lithiumdisilikat nach dem Malfarben- und Glasurmassebrand
  • Abb. 32: Additiv gefertigte Kronen aus Lithiumdisilikat nach dem Malfarben- und Glasurmassebrand
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Zukunftspotenzial – Multimaterial-3D-Druck von Lithium-Disilikat

Additive Verfahren haben den wesentlichen Vorteil, dass die Eigenschaften der Bauteile während des Bauprozesses beeinflusst werden können. Dies betrifft sowohl die mechanischen als auch die ästhetischen Eigenschaften eines Bauteiles. Bei subtraktiven Verfahren hingegen sind diese Charakteristika bereits mit der Herstellung des Fräsrohlings determiniert. Dies erlaubt dem 3D-Druck enorme Freiheiten schon beim Design-Prozess. Gradienten-Technologien können dabei individuell auf die Restaurationsgeometrien angepasst werden und bieten ungeahnte gestalterische Freiheiten im dreidimensionalen Raum, welche durch herkömmliche Technologien nicht möglich sind. Übertragen auf die additive Herstellung von keramischem Zahnersatz werden zukünftig völlig neue Ansätze zur naturidentischen Herstellung von Zahnersatz und Ersatzzähnen möglich sein. Zahnstrukturdatenbanken, deren Daten beispielsweise auf der dreidimensionalen Erfassung von Zähnen mittels NIRI-Technik beruhen können, bilden die Grundlage dieser Technik [16,17,18,19]. Dabei nutzt man den Effekt aus, dass Zahnschmelz von langwelli gem Licht (Nahinfrarot = NIRI) durchdrungen werden kann und damit erst an der Dentin-Schmelz-Grenze reflektiert wird. Kombiniert man diesen Effekt mit einem photogrammetrischen Ansatz, bekommt man die dreidimensionale Darstellung des innenliegenden Dentinkernes. Als Weltneuheit wurde in einer Versuchsreihe mittels Lithoz LCM Multimaterial-3D-Druck (Lithoz CeraFab Multi 2M30) der mehrschichtige Bau eines Zahnes auf der Basis von Zahnstrukturdaten erfolgreich durchgeführt. Die Ergebnisse zur additiven Herstellung von mehrschichtigen Zähnen aus Lithium- Disilikat sind sehr vielversprechend (Abb. 33 bis 36). Additive Technologien, wie das Lithoz LCM-Verfahren sind die idealen Fertigungswege, um ieses Ziel zu erreichen.

  • Abb. 33: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
  • Abb. 34: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
  • Abb. 33: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
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  • Abb. 34: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
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  • Abb. 35: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
  • Abb. 36: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
  • Abb. 35: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
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  • Abb. 36: Mittels Lithoz LCM-3D-Druckverfahren mehrschichtig gedruckte Zähne aus Lithiumdisilikat auf der Basis von Daten aus der „Schweiger Zahnstrukturdatenbank“.
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Update Modellherstellung

Die digitale Modellherstellung auf der Basis von 3D-Daten aus dem Intraoralscanner hat sich mittlerweile zu einem wesentlichen Bestandteil des digitalen Workflows entwickelt. Bisher beschränkte sich die Modellherstellung auf die Wiedergabe der dreidimensionalen Form. Neueste Entwicklungen des Multimaterial-3D-Druckes mittels Polyjet-Technologie erlauben es, die Modelle in ihrer farblichen Gestaltung nach dem Vorbild der intraoralen Situation zu bauen [20,21]. Dies könnte zukünftig insbesondere bei der Herstellung von hochästhetischem Zahnersatz zusätzliche Vorteile bei der farblichen Adaption (z.B. bei verfärbten Stümpfen) bieten und so die Vorhersagbarkeit der Farbreproduktion der Versorgungen erhöhen.

Graphische 3D-Modelle

In der additiven Fertigung bezeichnet der Begriff „Graphischer 3D-Druck“ den Bereich, bei dem es insbesondere um die optischen Eigenschaften der gedruckten Produkte geht – alternativ spricht man auch von Vollfarbmodellen. Grundsätzlich kann man dabei die 3 Teilbereiche des 3D-Scans, der Datenverarbeitung und der Datenausgabe mittels 3D-Drucker unterscheiden [22]. Die 3D-Daten der Mundsituation werden mittels Intraoralscannern erfasst, welche entweder nach dem Triangulationsprinzip oder nach dem konfokalen Laserstrahlprinzip arbeiten. Das Ergebnis ist eine dreidimensionale Punktewolke, aus der ein Oberflächendatensatz generiert werden kann, der beispielsweise mittels Dreiecksfacetten gebildet wird (STL-File). Beide Scanner-Varianten bieten auch die Möglichkeit, mittels Kamera die geometriebezogenen Farbinformationen im Mund zu erfassen. Die Codierung des optischen Gesamteindruckes basiert derzeit in der Regel auf RGB-Farbwerten, die über ein Pixelbild jedem Punkt der dreidimensionalen Oberfläche ein RGB-Tripel zuweisen (Abb. 37).

 

  • Abb. 37: Die Oberflächendaten aus dem intraoralen 3D-Scan eines Kiefers ergeben zusammen mit der Farbinformation das dreidimensionale Modell mit geometriebezogener Farbinformation.

  • Abb. 37: Die Oberflächendaten aus dem intraoralen 3D-Scan eines Kiefers ergeben zusammen mit der Farbinformation das dreidimensionale Modell mit geometriebezogener Farbinformation.
    ©Schweiger

 Diese Art der Codierung ist den für den 3D-Druck gängigen Dateiformaten ähnlich, wie beispielsweise beim OBJoder PLY-Format. Weitere Dateiformate, welche die Farbinformation beinhalten, sind das VRML-Format (VRML = Virtual Reality Modeling Language) und das 3MF-Format (3MF = 3D Manufacturing Format). Ein 3D-Farbdrucker kann dreidimensionale Objekte mit verschiedenen Farben und Farbverläufen erstellen. Derzeit gibt es 4 verschiedene 3D-Drucktechnologien, die die Herstellung von graphischen 3D-Modellen ermöglichen. Die erste dazu geeignete Technik war das sogenannte Pulverbett- Druckverfahren (Binder-Jetting), bei dem unterschiedlich eingefärbte Binderflüssigkeiten in ein Pulverbett gespritzt werden und so einerseits das Bauteil verfestigt und andererseits die Farbe des gedruckten Objektes definiert wird. Diese Technologie findet im Dentalbereich keine Anwendung.

Mit der Einführung des Multimaterial-3DDruckes im Material-Jetting-Verfahren ergaben sich ganz neue Möglichkeiten bei der Anfertigung von dentalen Bauteilen. Verschiedene Hersteller bieten dieses Verfahren inzwischen an, wie beispielsweise Stratasys, Mimaki Hewlett-Packard und 3D-Systems. Auch mittels Material-Extrusion (FDM, FFF) und Schicht-Laminat-Verfahren von Papier ist die Herstellung von graphischen 3D-Modellen möglich [23]. Im Dentalbereich findet derzeit jedoch vor allem das Material-Jetting-Verfahren bei der Herstellung von graphischen 3D-Modellen Anwendung. Die Verwendung von Vollfarbenmodellen für die Herstellung von ästhetischem Zahnersatz zeigt eine Reihe von Vorteilen bei der farblichen Adaption der Restaurationen. Dies ist insbesondere interessant, da die Farbe der Zahnstümpfe die farbliche Gesamterscheinung wesentlich beeinflusst und es mit farbrealistischen Stumpfmodellen für den Zahntechniker leichter ist, die richtige Materialauswahl zu treffen und die farbliche Erscheinung zu überprüfen und zu optimieren. Ebenso kann die ästhetische Gestaltung von Gingivabereichen durch die Verwendung von Vollfarbenmodellen verbessert werden (Abb. 38 bis 41). Allerdings zeigt sich in der praktischen Anwendung, dass der Farbabgleich der Meistermodelle mit der Mundsituation oftmals noch nicht perfekt ist. Dabei sind 2 Einzelschritte in der Farbkalibrierung von wesentlicher Bedeutung. Zum einen muss der Intraoralscanner bei der Erfassung der Daten optimal farbkalibriert sein, zum anderen ist es ebenso entscheidend, dass der Vollfarb- 3D-Drucker die Modelle in einer hohen Farbtreue ausgibt. Diese Aufgaben sind bis zum jetzigen Zeitpunkt nicht hinreichend gelöst.

 

  • Abb. 38: Scandaten aus dem 3D-Intraoralscanner werden mittels Modelbuilder-Software (3Shape) weiterbearbeitet und bilden die Grundlage für die Herstellung von graphischen 3D-Modellen.
  • Abb. 39: Von der 3D medical print KG mittels Polyjet-Technologie (Stratasys) gedruckte graphische 3D-Modelle.
  • Abb. 38: Scandaten aus dem 3D-Intraoralscanner werden mittels Modelbuilder-Software (3Shape) weiterbearbeitet und bilden die Grundlage für die Herstellung von graphischen 3D-Modellen.
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  • Abb. 39: Von der 3D medical print KG mittels Polyjet-Technologie (Stratasys) gedruckte graphische 3D-Modelle.
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  • Abb. 40: Münchner Schienen auf graphischen 3D-Modellen (zahntechnische Arbeit ZTM Johannes Trimpl) und nach Eingliederung im Mund (in Zusammenarbeit mit Dr. Dr. Oliver Schubert).
  • Abb. 41: Münchner Schienen auf graphischen 3D-Modellen (zahntechnische Arbeit ZTM Johannes Trimpl) und nach Eingliederung im Mund (in Zusammenarbeit mit Dr. Dr. Oliver Schubert).
  • Abb. 40: Münchner Schienen auf graphischen 3D-Modellen (zahntechnische Arbeit ZTM Johannes Trimpl) und nach Eingliederung im Mund (in Zusammenarbeit mit Dr. Dr. Oliver Schubert).
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  • Abb. 41: Münchner Schienen auf graphischen 3D-Modellen (zahntechnische Arbeit ZTM Johannes Trimpl) und nach Eingliederung im Mund (in Zusammenarbeit mit Dr. Dr. Oliver Schubert).
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Fazit

Aufgrund der hohen Kosteneffizienz, der Reproduzierbarkeit der Herstellungsprozesse und der guten werkstoffmechanischen Eigenschaften der Endprodukte werden digitale Dentaltechnologien den Alltag in den Zahnarztpraxen und Zahntechnischen Laboren noch viel stärker beeinflussen, als sie es bisher schon getan haben. Vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels bietet die Digitalisierung die Möglichkeit, die Wertschöpfungskette in Deutschland zu behalten und so einen enormen Beitrag für die Erhaltung der heimischen Zahntechnischen Labore zu leisten. Erfreulich ist, dass es dem VDZI (Verband der deutschen Zahntechniker Innungen) gelungen ist, eine neue Ausbildungsordnung zu gestalten, die ab August dieses Jahres in Kraft tritt. Diese ist hervorragend gestaltet und schafft den Spagat zwischen der klassischen analogen Ausbildung und der Vermittlung von aktuellen digitalen Kenntnissen und Fertigkeiten. Damit wurde das Fundament für eine zukunftsfähige inländische Zahntechnik geschaffen, die durch den hohen analogen und digitalen Ausbildungsstand dem Zahnarzt als kompetenter Laborpartner zur Seite stehen kann.

 

 

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


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