Nathaniel Lawson, DMD, PhD

Die steigenden Kosten für Edelmetall, die gestiegenen ästhetischen Erwartungen der Patienten und Verbesserungen in der Dentalkeramik haben hohe Zuwachsraten bei festsitzendem Zahnersatz aus Keramik bewirkt. Dessen Herstellung mithilfe der CAD/CAM-Technologie hat die Entwicklung neuer Materialien für Zahnersatz sowohl für das Dentallabor als auch chairside, also zur Verwendung direkt in der Praxis, gefördert. In einem Beitrag in der Quintessenz Zahntechnik (2/2017) stellt Zahnarzt Nathaniel Lawson ein Testverfahren vor, das an der University of Alabama in Birmingham (UAB) entwickelt wurde, um die Bedingungen des klinischen Verschleißes von CAD/CAM-Materialien genau zu simulieren und präsentiert erste Ergebnisse dieses Verfahrens.

Die Quintessenz Zahntechnik, kurz QZ, ist die monatlich erscheinende Fachzeitschrift für alle Zahntechniker und zahntechnisch interessierte Fachleute, die Wert auf einen unabhängigen und fachlich objektiven Informationsaustausch legen. Im Vordergrund der Beiträge und Berichterstattung steht die Praxisrelevanz für die tägliche Arbeit. In dieser Zeitschrift finden sich Zahntechniker, Dentalindustrie und die prothetisch orientierte Zahnarztpraxis mit ihren Anliegen nach einer hochwertigen Fortbildung gleichermaßen wieder. Zur Online-Version erhalten Abonnenten kostenlos Zugang. Mehr Infos zur Zeitschrift, zum Abo und zum Bestellen eines kostenlosen Probehefts finden Sie im Quintessenz-Shop.

Das Chairside-Fräsen von Zahnersatz nach digitaler Abformung und Konstruktion am Bildschirm hat für Patienten den Vorteil, dass sie nur einen einzigen Zahnarzttermin wahrnehmen müssen und die mit einer provisorischen Versorgung verbundenen Komplikationen wie Überempfindlichkeit, ästhetische Einbußen, Pulpairritationen, Retentionsverlust, schlechte Kontakte und ungünstige Konturen entfallen. Zwar wurde diese Technologie von zahnärztlicher Seite recht langsam angenommen, aber inzwischen verwenden doch 15 Prozent der Praxen in den USA CAD/CAM-Einheiten und diese Zahl scheint rasch zuzunehmen. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, haben die Hersteller Materialien speziell für Chair­side-Fräsgeräte entwickelt.5

Tab. 1 Kategorien von Materialien für in der Praxis angefertigte, definitive CAD/CAM-Restaurationen.

Die ersten verfügbaren Materialien für das Chairside- oder In-Office-Fräsen von definitivem festsitzendem Zahnersatz waren Feldspatkeramik, Glaskeramik und Komposit.10 Fräsbares Lithiumdisilikat erweiterte den Einsatzbereich von gefrästen CAD/CAM-Kronen, da es die für Seitenzahnversorgungen notwendige Festigkeit und die für Frontzahnversorgungen wünschenswerte Transluzenz besitzt.3 Um seine endgültige Festigkeit zu erreichen, benötigt jedoch Lithiumdisilikat eine 15- bis 30-minütige Wärmebehandlung für die Kristallisation, was Wartezeiten mit sich bringt und Ressourcen blockiert.26 Aus diesem Grund wurde eine neue Klasse von Keramik-Polymer-Hybridmaterialien eingeführt, bei der die Versorgung ohne zusätzlichen Brennzyklus in einem einzigen Schritt hergestellt werden kann. Zu den Materialien dieser Klasse gehören ein polymerinfiltriertes Keramikmaterial (Enamic, Vita Zahnfabrik, Bad Säckingen)12 und diverse im Labor zu verarbeitende Komposite (Lava Ultimate, 3M Espe, Neuss; Cerasmart, GC Europe, Leuven, Belgien).16 Ein CAD/CAM-Material, bei dem die Hitzebehandlung optional ist, ist Celtra Duo (Dentsply Sirona, Hanau), eine Mischung aus Zirkonoxid und Lithiumsilikat. Kürzlich wurde dann noch ein vollständig gesinterter Zirkoniumdioxidblock, BruxZir Now (Gliedewell, Newport Beach, CA, USA), vorgestellt, der das Chairside-Fräsen einer monolithischen Zirkoniumdioxidrestauration ohne Brennvorgang ermöglicht. Tabelle 1 zeigt eine repräsentative Liste der Materialien für eine Chairside-CAD/CAM-Fertigung.

Abb. 1 Mikrostruktur von Cerasmart, Lava Ultimate, Enamic, IPS e.max CAD, Celtra Duo, Lava Plus (von links oben nach rechts unten). Hinweis: abweichende Vergrößerung bei Lava Plus.

Abbildung 1 zeigt die Mikrostrukturen repräsentativer Proben dieser Materialien. Die Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) der Kompositmaterialien Lava Ultimate und Cerasmart illustrieren die Verstärkung einer Polymermatrix durch Nanopartikel und Nanocluster. Die Enamic-Probe wurde mit Flusssäure geätzt, die die glasartige Keramik entfernt und die infiltrierende Kunststoffmatrix freilegt. Die gezeigten IPS-e.max- und Celtra-­Duo-Proben wurden ebenfalls angeätzt, um die Verstärkung durch Lithiumdisilikatkristalle zu illustrieren. Die beispielhaft ausgewählte Zirkoniumdioxidprobe wurde thermisch geätzt, um die einzelnen Körner ohne interponiertes Glas zu zeigen.

Tab. 2 Eigenschaften von Materialien für definitive CAD/CAM-Restaurationen (interne Daten der University of Alabama, Birmingham).

Tabelle 2 führt ausgewählte mechanische Eigenschaften verschiedener CAD/CAM-­Materialien auf. Messungen der mechanischen Eigenschaften der Materialien haben gezeigt, dass die Biegefestigkeit von Komposit und polymerinfiltrierten Keramikmaterialien niedriger ist als die von Materialien auf Lithiumsilikatbasis (IPS e.max und Celtra Duo) und diese wiederum niedriger als die von Zirkoniumdioxid. In Bezug auf Härte und Elastizitätsmodul ordnen sich die Materialkategorien wie folgt an (von geringer zu höher): Komposite, polymerinfiltrierte Keramik, Lithiumsilikat und Zirkonumdioxid.

Es wird oft versucht, Aussagen über das Verschleißverhalten von Dentalmaterialien auf der Grundlage mechanischer Eigenschaften zu machen. Das Verschleißverhalten muss aber konkret untersucht werden, weil die entsprechenden Mechanismen bei Materialien auf Polymerbasis und auf Keramikbasis unterschiedlich sind.

Eine wichtige Überlegung bei der Versorgung mit Zahnersatz gilt der Wechselwirkung zwischen dem Restaurationsmaterial und den Zähnen im Gegenkiefer. Das Restaurationsmaterial muss kompatibel zu den Oberflächen im Gegenkiefer sein, weil es sonst zu übermäßigem Verschleiß kommt – entweder des Materials selbst oder der Strukturen, mit denen es in Kontakt steht. Bei den meisten Materialien auf Polymerbasis – Komposite wie Cerasmart oder Lava Ultimate – ist eher das Material selbst das Problem.4,7,8 Bei härteren keramischen Materialien wie Feldspat- oder Lithiumdisilikatkeramik ist der Abrieb des antagonistischen Zahnschmelzes kritischer.9

Komposite bestehen aus anorganischen Glaspartikeln in einer organischen Kunststoffmatrix. Die am stärksten verschleißgefährdeten Bestandteile von Komposit sind die weiche Matrix und der Verbund zwischen Matrix und Füllstoff.11 Abrasiver Verschleiß tritt auf, wenn Speisereste und Unebenheiten des antagonistischen Schmelzes die weiche Kunststoffmatrix des Kompositmaterials abreiben. Dies entfernt die Matrix, und die Füllstoffteilchen werden freigelegt, lösen sich und gehen verloren. So wird das Material durch die Kaubewegungen allmählich abgetragen.1 Die okklusale Krafteinwirkung überträgt Oberflächenkräfte in das gesamte Komposit und setzt die Kontaktflächen zwischen Füllstoff und Matrix unter Spannung. Wenn die Spannung an der Füllstoff-Matrix-Grenzfläche die Bindungskraft der Füllstoffpartikel übersteigt, kann es unter der Oberfläche zu Loslösungen kommen, und Oberflächenfrakturen sind die mögliche Folge.17 Die Abnutzung von Komposit im Mund ist daher abhängig von den Kaukräften, der Abrasivität der Nahrungsmittelpartikel, der Lubrikation durch den Speichel und der Zusammensetzung der Strukturen im Gegenkiefer.

Verschleiß bei Dentalkeramik entsteht durch einen anderen Mechanismus als bei Komposit. Verstärkte Keramiken wie IPS e.max oder IPS Empress bestehen aus Kristallen, die in einer glasartige Matrix eingebettet sind. Die härtere kristalline Phase der Keramik abradiert eher den gegenüberliegenden Schmelz.15 Keramik mit einem höheren Kristallgehalt zeigt jedoch eine höhere Verschleißfestigkeit und erzeugt selbst weniger Verschleiß am antagonistischen Schmelz.22,25,27 Der Grund für dieses paradox scheinende Verhalten ist der, dass Kristalle wie Lithiumdisilikat oder Leucit die Bruchfestigkeit der Keramik verbessern. Keramik ist spröde, und ihre Integrität ist durch Frakturen gefährdet. Frakturen an der Oberfläche rauen die Keramik an und legen Abnutzungsfacetten frei, die die Abrasion des antagonistischen Schmelzes beschleunigen.24 Keramikmaterialien mit hohem Kristallgehalt sind weniger frakturanfällig und bewirken weniger Verschleiß im Gegenkiefer. Daher hängen Verschleißerscheinungen bei Keramik von der Fähigkeit der Strukturen im Gegenkiefer ab, Sprödbruch der Keramik zu verursachen.

Klinische Tests widersprüchlich

Klinische Verschleißtests sind schwierig und liefern oft widersprüchliche Ergebnisse. Daher wurden Testverfahren entwickelt, mit denen sich der Verschleiß im Laborversuch bestimmen lässt. Die internationale Normenorganisation ISO beschreibt acht verschiedene Verfahren für Verschleißtests, die aber nicht spezifisch für Komposit oder Keramik sind. Die acht Testverfahren zeichnen sich durch eine beträchtliche Variationsbreite der Ergebnisse aus, beispielsweise hinsichtlich der einwirkenden Kraft, des Verfahrens der Krafteinleitung (Stoß oder Schub), des Testmediums und der Eigenschaften des Antagonisten.13 An der University of Alabama in Birmingham (UAB) haben wir daher ein eigenes Testverfahren entwickelt, das die Bedingungen des klinischen Verschleißes genau simulieren soll.20

Dieser UAB-Verschleißtester (Abb. 2) ist so konzipiert, dass über acht einzelne Taststifte eine kalibrierte Kraft von 20 Newton auf flache Prüfkörper des restaurativen Materials (in Vertiefungen auf einer Platte) appliziert wird. Nach dem ersten Kontakt werden die Prüfkörper um 2 Millimeter horizontal verschoben, um die Gleitphase des Kauens zu imitieren. Der Test erfolgt unter konstanten Nassbedingungen mit einer Lösung von der Viskosität des natürlichen Speichels (1 Teil Glycerin auf 2 Teile Wasser), in die die Taststifte und die Abrasionskörper während des Testvorgangs montiert sind. An den Enden der Taststifte sind isolierte Schmelzhöcker von extrahierten menschlichen Molaren angebracht, um den Zahn zu simulieren, der dem restaurativen Material gegenüberliegt (Abb. 3). Die Form der Höcker wird mit einem invertierten konischen Bohrer standardisiert (Abb. 4). Nach dem Verschleißtest werden die Zahnhöcker und Prüfkörper mit einem optischen Profilometer vermessen, und im Konturenvergleich vor und nach dem Test wird der Volumenverlust bei Schmelz und Prüfkörper ermittelt. Anhand von REM-Aufnahmen der restaurativen Materialien wird der Verschleißmechanismus untersucht. Dieser Tester wurde für eine Vielzahl von CAD/CAM-Materialien eingesetzt.

Tab. 3 Verschleiß bei Materialien für definitive CAD/CAM-Restaurationen (interne Daten der University of Alabama, Birmingham).

Der Material- und Schmelzverschleiß wurde mit dem UAB-Verschleißtester für mehrere Materialien ermittelt, die für Chairside-CAD/CAM zum Einsatz kommen: Paradigm MZ100, Lava Ultimate, Cerasmart, Enamic, IPS e.max und Celtra Duo (ungebrannt). Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse dieser Verschleißtests. Abbildung 5 zeigt die Verschleißmuster in REM-Aufnahmen.

Abb. 5 REM-Aufnahmen der Verschleißspuren bei ­Cerasmart, Lava Ultimate, Paradigm MZ100, Enamic, Celtra Duo (ungebrannt), IPS e.max (von oben links nach unten rechts). Die Krafteinwirkung erfolgte jeweils auf der linken Seite.

Nach den Daten in Tabelle 3 zeigen Komposite und polymerinfiltrierte Keramik etwas weniger Verschleiß als Materialien auf Lithiumsilikatbasis. Die Prüfung der REM-Aufnahmen ergibt, dass Komposite regelmäßige Verschleißmuster mit internen Rissen zeigen, was darauf hindeutet, dass diese Materialien einer Ermüdung unterliegen – möglicherweise von der Kontaktfläche zwischen Füllstoff und Kunststoffmatrix ausgehend. Die REM-Aufnahmen der polymerinfiltrierten Keramik und der lithiumsilikatbasierten Materialien zeigen Kratzer an der Oberfläche, was auf abrasiven Verschleiß deutet. Komposit verursacht weniger Schmelzverschleiß, polymerinfiltrierte Keramik und Lithiumsilikat dagegen mehr Schmelzverschleiß als der natürliche Schmelz-zu-Schmelz-Kontakt. Das relativ glatte und weiche Komposit wirkt nämlich weniger abrasiv auf den Schmelz als die harte Keramik mit ihrer zerklüfteten Oberfläche.

Der Verschleiß diverser Chairside-CAD/CAM-Materialien und des Zahnschmelzes im Gegenkiefer wurde bereits in früheren Studien untersucht. Eine solche Studie hat für Lava Ultimative weniger antagonistischen Schmelzverschleiß gezeigt als für IPS e.max.23 Im Vergleich zu Kompositblocks haben diese Studien teils weniger,6 teils mehr18 oder sogar gleich viel23,28 Verschleiß bei polymerinfiltrierter Keramik gefunden. Zu diesen Variationen bei den Ergebnissen der Verschleißmessungen tragen die bereits erwähnten variablen Parameter der Verschleißprüfung das Ihre bei.

Die UAB-Testmethodik wurde auch für Verschleißmessungen an im Labor verwendeten CAD/CAM-Materialien, insbesondere Zirkoniumdioxid, verwendet.2,14,21 Sie ergaben, dass bei Zirkoniumdioxid dank seiner hohen Festigkeit praktisch kein messbarer Oberflächenverschleiß eintritt (Abb. 6). Darüber hinaus verursacht die glattpolierte Oberfläche von Zirkonoxid weniger Schmelzverschleiß als der reine Schmelz-zu-Schmelz-Kontakt.

Abb. 6 Lichtmikroskopische Aufnahmen der Verschleißspuren von poliertem Zirkoniumdioxid, Verblendkeramik und poliertem und glasiertem Zirkoniumdioxid (von links nach rechts).

Verblendkeramik dagegen frakturierte bei der Verschleißprüfung, was zu einem Aufrauen der Keramikoberfläche führte (Abb. 6) und in Folge viermal so viel Schmelzverschleiß bewirkte wie der Schmelz-zu-Schmelz-Kontakt. Wurde das Zirkoniumdioxid poliert und glasiert, dann wurde die 50 bis 100 µm starke Glasurschicht so lange abradiert, bis die polierte Oberfläche freigelegt war (Abb. 6). Während die Glasurschicht abgetragen wurde, bewirkte ihre aufgeraute Oberfläche Schmelzverschleiß im Gegenkiefer. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass poliertes Zirkoniumdioxid schmelzfreundlicher ist als verblendetes oder glasiertes.14

In einer Studie bewirkte das Einschleifen von Zirkoniumdioxid mit einem feinen Diamantbohrer einen ähnlichen Schmelzverschleiß in Gegenkiefer wie im direkten Kontakt mit Schmelz. Eine Politur des eingeschliffenen Zirkoniumdiioxids reduzierte den Schmelzverschleiß.21

Schließlich wurden die Auswirkungen einer künstlichen Alterung des Zirkoniumdioxids auf den antagonistischen Schmelzverschleiß untersucht; durch den Alterungsprozess und die dadurch bewirkte Phasentransformation kommt es nämlich zu einer Aufrauung der Oberfläche. Es wurde jedoch kein Unterschied beim Schmelzverschleiß zwischen gealtertem und nicht gealtertem Zirkonumdioxid nachgewiesen.2

Ein Beitrag von Nathaniel Lawson, DMD, PhD und John O. Burgess, DDS, MS, beide Birmingham, USA

Literatur

1. Bayne SC, Taylor DF, Heymann HO. Protection hypothesis for composite wear. Dent Mater 1992;8:305–309.

2. Burgess JO, Janyavula S, Lawson NC, Lucas TJ, Cakir D. Enamel wear opposing polished and aged zirconia. Oper Dent 2014;39:189–194.

3. Christensen GJ. Zirconia vs lithium disilicate. Dent Econ 2014;104:58.

4. Dahl BL, Oilo G. In vivo wear ranking of some restorative materials. Quintessence Int 1994;25:
561–565.

5. DiMatteo AM LK. Relevant or relic? If current trends hold, PFMs may become obsolete. Inside Dent 2014;10:114–119.

6. Dupriez ND, von Koeckritz AK, Kunzelmann KH. A comparative study of sliding wear of nonmetallic dental restorative materials with emphasis on micromechanical wear mechanisms. J Biomed Mater Res Part B Appl Biomater 2014 doi: 10.1002/jbm.b.33193 [Epub ahead of print].

7. Ekfeldt A, Fransson B, Söderlund B, Oilo G. Wear resistance of some prosthodontic materials in vivo. Acta Odontol Scand 1993;51:99–107.

8. Ekfeldt A, Oilo G. Wear of prosthodontic materials – An in vivo study. J Oral Rehabil 1990;17:117–129.

9. Esquivel-Upshaw JF, Young H, Jones J, Yang M, Anusavice KJ. In vivo wear of enamel by a lithia disilicate-based core ceramic used for posterior fixed partial dentures: First-year results. Int J ­Prosthodont 2006;19:391–396.

10. Fasbinder DJ. Chairside CAD/CAM: An overview of restorative material options. Compend Contin Educ Dent 2012;33:50,52–58.

11. Goovaerts K, Lambrechts P, De Munck J, Bergmans L, Van Meerbeek B. Wear. In: Mortensen A (ed). Concise Encyclopedia of Composite Materials, ed 2. Amsterdam: Elsevier, 2007:174–182.

12. He LH, Swain M. A novel polymer infiltrated ceramic dental material. Dent Mater 2011;27:527–534.

13. ISO. Dental Materials, Guidance on Testing of Wear. Part 2. Wear by Two- and/or Three-Body Contact. Technical Specification 2001; No. 14569-2.

14. Janyavula S, Lawson NC, Cakir D, Beck P, Ramp LC, Burgess JO. Wear of polished and glazed zirconia against enamel. J Prosthet Dent 2013;109:22–29.

15. Kelly JR, Nishimura I, Campbell SD. Ceramics in dentistry: Historical roots and current perspec­tives. J Prosthet Dent 1996;75:18–32.

16. Koller M, Arnetzl GV, Holly L, Arnetzl G. Lava ultimate resin nano ceramic for CAD/ CAM: Customization case study. Int J Comput Dent 2012;15:159–164.

17. Kunzelmann KH, Jelen B, Mehl A, Hickel R. Wear evaluation of MZ100 compared to ceramic CAD/CAM materials. Int J Comput Dent 2001;4:171–184.

18. Lauvahutanon S, Takahashi H, Oki M, Arksornnukit M, Kanehira M, Finger WJ. In vitro evaluation of the wear resistance of composite resin blocks for CAD/CAM. Dent Mater J 2015;34:495–502.

19. Lava Plus Technical Product Profile. http://multimedia.3m.com/mws/ media/916771O/lava-plus-technical-product-profile.pdf Accessed November 10, 2015.

20. Lawson NC, Janyavula S, Cakir D, Beck P, Burgess JO. An analysis of current wear testing parameters and modifications to the Alabama wear testing system. J Phys D: Appl Phys 2013;46:404007.

21. Lawson NC, Janyavula S, Syklawer S, McLaren EA, Burgess JO. Wear of enamel opposing zirconia and lithium disilicate after adjustment, polishing and glazing. J Dent 2014;42:1586–1591.

22. Metzler KT, Woody RD, Miller AW 3rd, Miller BH. In vitro investigation of the wear of human enamel by dental porcelain. J Prosthet Dent 1999;81:356–364.

23. Mormann WH, Stawarczyk B, Ender A, Sener B, Attin T, Mehl A. Wear characteristics of current aesthetic dental restorative CAD/CAM materials: Two-body wear, gloss retention, roughness and Martens hardness. J Mech Behav Biomed Mater 2013;20:113–125.

24. Oh WS, R Delong D, Anusavice KJ. Factors affecting enamel and ceramic wear: A literature review. J Prosthet Dent 2002;87:451– 459.

25. Preis V, Behr M, Kolbeck C, Hahnel S, Handel G, Rosentritt M. Wear performance of substructure ceramics and veneering porcelains. Dent Mater 2011;27:796–804.

26. Reich S, Troeltzsch M, Denekas T, Wichmann M. Generation of functional Cerec 3D occlusal surfaces: A comparison of two production methods relevant in practice. Int J Comput Dent 2004;7:229–238.

27. Rosentritt M, Preis V, Behr M, Hahnel S, Handel G, Kolbeck C. Two-body wear of dental porcelain and substructure oxide ceramics. Clin Oral Investig 2011;Jul:e1–e9.

28. Zhi L, Bortolotto T, Krejci I. Comparative in vitro wear resistance of CAD/CAM composite resin and ceramic materials. J Prosthet Dent 2015 Oct 9. pii: S0022-3913(15)00437-0. doi: 10.1016/j.prosdent. 2015.07.011 [Epub ahead of print].