Zuverlässigkeit und Festigkeit vollkeramischen Zahnersatzes hergestellt im DCM-Verfahren

Transkript

1 Zuverlässigkeit und Festigkeit vollkeramischen Zahnersatzes hergestellt im DCM-Verfahren F. Filser 1, P. Kocher 1, F. Weibel 1, H. Lüthy 2, P. Schärer 2, L.J. Gauckler 1 1 Eidgenössisch Technische Hochschule, Dep. Werkstoffe, Nichtmetallisch Anorganische Werkstoffe, Zürich, Schweiz, {filser, kocher, weibel, gauckler}@nonmet.mat.ethz.ch 2 Universität Zürich, Klinik für Kronen- und Brückenprothetik, Teilprothetik und zahnärztliche Materialkunde, Zürich, Schweiz, {luethy, schaerer}@zzmk.unizh.ch Zusammenfassung Vollkeramische Zahnbrücken für den Seitenzahnbereich sind heute nicht kostengünstig verfügbar. Das neue Direct Ceramic Machining (DCM)-Verfahren ermöglicht für diese Anwendung die einfache, sichere und schnelle Herstellung von hochfestem, bioverträglichem vollkeramischem Zahnersatz. Hierbei wird ein Grundgerüst aus einem vorgefertigten porösen und daher leicht zu bearbeitenden Zirkonoxid-Rohling vergrössert herausgefräst und anschliessend dichtgesintert. Eine zeitaufwendige Hartbearbeitung ist nicht mehr notwendig. Verblendungen aus Porzellan ermöglichen die Anpassung an individuelle ästhetische Bedürfnisse. Zirkonoxid-Grundgerüste besitzen mehr als zweifach höhere Festigkeit als solche aus In- Ceram Alumina und IPS Empress2. Auch die höchsten Kaukräfte im Seitenzahnbereich können durch Zahnbrücken mit Zirkonoxid-Grundgerüst aufgenommen werden. Die Zuverlässigkeit der mit dem DCM-Verfahren hergestellten Zirkonoxidzahnbrücken ist wesentlich höher 1 / 21

2 als diejenige der von In-Ceram Alumina und IPS Empress2. Einjährige klinische Resultate von dreigliedrigen Zahnbrücken im Seitenzahngebiet zeigen keinerlei Beanstandungen. Stichwörter: Vollkeramischer Zahnersatz, Zirkonoxid, Direct Ceramic Machining (DCM), Zuverlässigkeit, Festigkeit, Bruchanalyse Einleitung Vollkeramischer Zahnersatz stellt eine metallfreie Alternative zum verbreiteten metallkeramischen Zahnersatz dar. In den vergangenen Jahren haben sich verschiedene vollkeramische Systeme wie IPS Empress, In-Ceram Alumina, Procera Alumina und weitere am Markt etabliert [1-3]. Ihre Transluszenz und helle Farbe ermöglichen eine verbesserte Ästhetik gegenüber dem üblichen metallkeramischen Zahnersatz. Wünschenswert ist, dass vollkeramischer Zahnersatz auch bei mehrgliedrigen Zahnbrücken im Seitenzahnbereich möglich wird [4]. Hierfür erscheint tetragonales Zirkonoxid (TZP) eine mögliche Lösung aufzuzeigen. Es weist eine höhere Biegefestigkeit und (Riss-) Zähigkeit als alle kommerziell erhältlichen Dentalkeramiken auf (Abb. 1). Leider ist aufgrund seiner überragenden mechanischen Werkstoffeigenschaften die konventionelle Hartbearbeitbarkeit von dichtem TZP sehr zeit- und kostenaufwendig [5]. Hier wird ein neues Verfahren Direct Ceramic Machining (DCM) vorgestellt, welches vollkeramischen Zahnersatz wie Kronen und mehrgliedrige Zahnbrücken mit einem Grundgerüst aus Zirkonoxid auch für den Seitenzahnbereich ermöglicht [6-8] (Abb. 2). Aus einem einfach zu bearbeitenden, sehr homogenen, porösen keramischen Rohling wird die Form des 2 / 21

3 Grundgerüstes vergrössert herausgefräst und anschliessend dicht gebrannt. Die Form wird vorher durch Digitalisieren einer Modellvorlage aufgenommen und linear vergrössert. Dies erlaubt die Schrumpfung während des Brandes zu kompensieren. Aufgrund der isotropen Schwindung kann auf eine anschliessende Hartbearbeitung vollständig verzichtet werden. Festigkeit, Zuverlässigkeit und Bruchmechanismus der mit dem DCM-Verfahren hergestellten Zirkonoxid-Grundgerüsten werden im folgenden charakterisiert und mit Werten von gleichgeformten Grundgerüsten aus In-Ceram Alumina und IPS Empress2 verglichen. Zwei Beispiele aus der klinischen Studie werden vorgestellt. Material und Methoden Dreigliedrige Grundgerüste gleicher Gestalt wurden aus Zirkonoxid mit dem DCM-Verfahren, aus Vita In-Ceram Alumina mit dem Vita-Celay Kopiergerät und aus IPS Empress2 mittels dem Empress Heisspressverfahren hergestellt. Das Grundgerüst der Testbrücke entspricht der Situation einer dreigliedrigen Zahnbrücke vom zweiten Prämolaren auf den zweiten Molaren und ist in Abb. 3 gezeigt. Der distale Verbinder hat 6,9 mm 2 Querschnitt mit 2,7 mm okklusogingivaler Höhe und 2,6 mm bukkolingualer Breite. Der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Testbrücken durch Verblendung der Grundgerüste mit einer Porzellanschicht wurde ebenfalls untersucht. An der basalen Seite des Verbinders betrug die Dicke des Porzellans 1,0 mm. Von jeder Sorte von Testbrücken wurden 15 Exemplare hergestellt und getestet. Mit einer mechanischen Testvorrichtung wurden die Bruchlasten und die Zuverlässigkeiten der Testbrücken und Grundgerüste ermittelt. Die Bruchflächen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie analysiert. 3 / 21

4 Herstellung der Grundgerüste und Testbrücken aus Zirkonoxid Die Grundgerüste aus Zirkonoxid wurden aus vorgefertigten keramischen Rohlingen aus mit 3 mol% Yttriumoxid stabilisiertem polykristallinem tetragonalen Zirkonoxid (tetragonal zirconia polycrystals, TZP) hergestellt. Die Rohlinge weisen eine Porosität von 50 Vol-% auf. Zunächst wurde die Form eines Kunstoffmodells der herzustellenden Grundgerüste mit einem Berührungssensor digital vermessen (Abb. 2) und die Gestalt um 50 vol-% vergrössert. Hiermit wurden die Rohgerüste aus dem Rohling herausgefräst. Anschliessend wurden die Grundgerüste bei 1500 C während zwei Stunden dichtgesintert. Dabei schrumpfen die Grundgerüste auf das gewünschte Endmass. Für die Verblendung wurde im Rahmen dieser Arbeit ein experimentelles Feldspat-Porzellan auf das TZP-Grundgerüst aufgebrannt. In-Ceram - Grundgerüste Die In-Ceram-Grundgerüste wurden aus vorgefertigten Vita In-Ceram Alumina Rohlingen (Vita Zahnfabrik, Bad Säckingen, Deutschland) mit Hilfe eines Vita-Celay Kopiergerätes (Mikrona, Spreitenbach, Schweiz) gemäss Anleitung des Herstellers von einem erfahrenen Zahntechniker hergestellt. In einem zweiten Schritt wurden sie mit Lanthan Glas infiltriert. Für die Verblendung wurde das kommerziell erhältliche Vitadur Alpha Porzellan (Vita Zahnfabrik, Bad Säckingen, Deutschland) gemäss der Herstellerangaben aufgetragen. Empress2 - Grundgerüste Empress2-Grundgerüste wurden aus vorgefertigten IPS Empress2 Rohlingen (Ivoclar, Schaan, Fürstentum Liechtenstein) gemäss Anleitung des Herstellers von einem erfahrenen Zahntechniker hergestellt. Testvorrichtung und Datenauswertung Die mechanische Testvorrichtung (Abb. 3) für die Belastung der Grundgerüste und der 4 / 21

5 Testbrücken wurde so ausgelegt, dass sie den Belastungszuständen im Mund Rechnung trägt. Ziel ist dabei, ein Versagen der Testbrücken ähnlich dem klinischen Versagen von keramischen Zahnbrücken im Verbinder von der gingivalen Seite herbeizuführen. Hauptmerkmale sind die laterale Beweglichkeit der Stahlstümpfe und die Belastungsrichtung senkrecht zur abgeflachten okklusalen Oberfläche des Grundgerüstes. Die Zahnstümpfe sind Stahlzylinder mit kugelförmigen Aufstell-Enden, einer 1,0 mm breiten zirkulären Schulter und einem 6 konischen Zahnstumpf-Ende, welche exakt auf die Kavitäten der Zahnbrücken passen. Sie werden mittels 0,75 mm dicken Plastikschläuchen elastisch gefasst, um ihre laterale Beweglichkeit im Halter zu ermöglichen. Das genau passende Grundgerüst wurde unzementiert auf den Stümpfen positioniert und unter Aufzeichnung von Belastung und Verschiebung bis zum Bruch mit konstanter Verschiebegeschwindigkeit von 0,5 mm/min belastet. Eine Teflonscheibe zwischen dem lastaufbringenden flachendigen zylindrischen Stempel und dem Grundgerüst verhindert Kontaktschäden und sorgt für die homogene Lastverteilung auf dem Brückenglied. Festigkeit und Zuverlässigkeit der Bauteile wurden mit der Weibull-Statistik ausgewertet [9, 10]. Die Festigkeit ergibt sich aus der charakteristischen Bruchlast F 0 bei 63 % Versagenswahrscheinlichkeit. Die Zuverlässigkeit wird durch die Steigung m der Weibull-Regressionsgeraden charakterisiert. Sie ist dann ein Mass für den Streuungsbereich der gemessenen Bruchlasten. Bruchanalyse Für die fraktographische Analyse [11-14] wurden die Bruchflächen mit Gold in Argonatmosphäre besputtert und mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Klinische Studie Zahnbrücken und -kronen mit TZP-Grundgerüsten wurden bei Patienten eingegliedert und 5 / 21

6 nach einem Jahr kontrolliert (Tab. 2) [15]. Sämtliche kontrollierten Zahnbrücken wurden im Seitenzahnbereich eingesetzt und normal belastet. Die individuellen Geometrien der Zahnbrücken beinhalten Verbinderquerschnittsflächen unter 10 mm 2. Die Kontrollen bezogen sich auf Schädigungen der Grundgerüste, der Verblendkeramik und weitere klinische Auffälligkeiten. Ergebnisse Bruchlasten Die gemessenen Bruchlasten sind in Abb. 4 gezeigt. Die mittlere Bruchlast der TZP- Grundgerüste (1192 N) sind um einen Faktor 2,6 höher als die der In-Ceram (453 N) und um einen Faktor 2,1 höher als die der Empress2 (558 N) Grundgerüste. Die verblendeten Testbrücken mit TZP-Grundgerüst (1005 N) besitzen eine 1,5 mal höhere mittlere Bruchlast im Vergleich zu den Testbrücken mit In-Ceram-Grundgerüst (672 N). Festigkeit und Zuverlässigkeit von keramischen Grundgerüsten und Zahnbrücken Die charakteristischen Werte Festigkeit F 0 und Zuverlässigkeit m sind in Tab. 1 aufgeführt. TZP-Grundgerüste zeigen eine Festigkeit von F 0 = 1278 N, die höher ist als diejenige von In-Ceram (F 0 = 514 N) und Empress2 (F 0 = 621 N). Aus der Weibull-Darstellung in Abb. 5 geht hervor, dass die TZP-Grundgerüste die weitaus höchste Zuverlässigkeit mit m = 8.5 aufweisen. In-Ceram- und Empress2-Grundgerüste streuen in ihrer maximalen Belastbarkeit wesentlich mehr, was durch niedrige Weibull-Faktoren von m = 2,7 bzw. m = 3,0 zum Ausdruck kommt. Ein ähnliches Verhalten wird für verblendete Testbrücken gefunden. Die Bruchlasten von Testbrücken mit TZP- und mit In-Ceram-Grundgerüst sind in Abb. 6 gezeigt. Testbrücken mit 6 / 21

7 TZP-Grundgerüst (F 0 = 1081 N) zeigen höhere Festigkeit gegenüber denjenigen mit In- Ceram-Grundgerüst (F 0 = 748 N). Die Weibull-Darstellung zeigt auch die grössere Zuverlässigkeit respektive die kleinere Streubreite der Belastbarkeit von Testbrücken mit TZP Grundgerüst (m = 6,1) im Vergleich zu In-Ceram (m = 3,6). In Abb. 7 sind die Ergebnisse bezüglich der Festigkeit F 0 und der Zuverlässigkeit (m-wert) grafisch zusammengefasst. TZP-Grundgerüste und Testbrücken zeigen deutlich die höchsten Festigkeiten gepaart mit höchster Zuverlässigkeit. Bruchanalyse Das Belastungsverhalten von Testbrücken mit TZP und In-Ceram Grundgerüsten zeigt einige Besonderheiten. In Abb. 8 sind ihre Belastungs-Verschiebungs-Diagramme gezeigt. Die Testbrücken mit In-Ceram-Grundgerüst zeigen einen glatten und kontinuierlichen Anstieg der Belastungskurve bis zum Sprödbruch. Dies bedeutet, dass der von der gingivalen Oberfläche ausgehende Riss ohne Ablenkung die Grenzfläche von Porzellan zu Grundgerüst überquert und die Testbrücke vollständig zerbricht. Im Fall der Testbrücken mit TZP-Grundgerüst machen sich Entlastungspeaks im Belastungsdiagramm bemerkbar und die Belastungskurve zeigt keinen glatten und kontinuierlichen Anstieg bis zum Versagen der Testbrücken. Die Entlastungspeaks sind zurückzuführen auf einen Rissstoppmechanismus, wobei der Riss an der Grenzfläche Porzellan zu Grundgerüst eine Ab- und Umlenkung erfährt. Bis zum vollständigen Versagen der TZP-Testbrücken werden über den Riss hinaus keine sonstigen äusserlichen Schädigungen, wie z.b. Abplatzungen von Porzellanteilen beobachtet. Alle Grundgerüste versagen rechtwinklig zu ihrer mesialen-distalen Achse wie beispielhaft in Abb. 9 gezeigt. Die erzeugte Bruchfläche verläuft jeweils kurvenförmig von der gingivalen Seite des Verbinders zum mittleren Brückenglied hin. Die Bruchflächen der Grundgerüste sind in Abb. 10 gezeigt. Hier ist als erstes die Rauhigkeit der Bruchflächen auffällig. Inhomo- 7 / 21

8 genitäten im Gefüge von In-Ceram und Empress2 sind deutlich zu erkennen, wohingegen TZP ein viel homogeneres Gefüge aufweist. In allen Fällen liegt die Bruchauslösung an der gingivalen Seite des Verbinders. Für In-Ceram ist die Bruchauslösung aufgrund seiner zweiphasigen Mikrostruktur nur annähernd lokalisierbar. Empress2 zeigt an der Bruchauslösestelle mehrere grössere Poren, die bruchauslösend wirken. Die Bruchflächen der verblendeten Testbrücken in Abb. 11 zeigen die Bruchauslösung an der gingivalen Seite des Verbinders. Für Testbrücken mit TZP-Grundgerüst wurde die Bruchauslösung im Grundgerüst lokalisiert, hingegen wurde in der Porzellanverblendung kein charakteristischer Bruchspiegel gefunden. Für Testbrücken mit In-Ceram-Grundgerüst ist die Bruchauslösung hingegen in der Porzellanschicht gingival lokalisiert. Die Lanzetten der Hackle-Region laufen ungestört über die Grenzfläche hinweg und zeigen die ungestörte Rissausbreitung durch die Grenzfläche Porzellan / In-Ceram hindurch. Klinische Studie Abb. 12 zeigt die Rekonstruktion eines fehlenden Prämolaren im Oberkiefer mit einer vollkeramischen dreigliedrigen Zahnbrücke mit TZP-Grundgerüst. Abb. 13 zeigt vollständige Rekonstruktion eines Unterkiefers bei einem Patienten der seine natürliche Zahnsubstanz nahezu vollständig infolge Bruxismus zerstört hat. Es wurde eine dreigliedrige und eine viergliedrige Zahnbrücke zusätzlich zu Einzelkronen eingegliedert. Alle 22 eingesetzten Zahnbrücken, die nach einem Jahr (durchschnittliche 380 Tagen, kürzeste 307 Tage; längste: 407 Tage) nachuntersucht wurden, zeigten keinerlei Schädigungen [15]. Auch weitere klinische Auffälligkeiten blieben aus. Bis dato, auch nach mehr als zweijähriger Tragezeit in situ, sind bei keiner der eingegliederten Restaurationen in Nachuntersuchungen Probleme festgestellt worden. 8 / 21

9 Diskussion erschienen in: International Journal of Computerized Dentistry 2001;4: Soll die Indikation von vollkeramischen Zahnbrücken auf den Seitenzahnbereich ausgedehnt werden, so muss die Leistungsfähigkeit dieser Zahnbrücken an den Anforderungen gemessen werden. Die Kaukräfte betragen von wenigen Newton bis zu 1000 N in Abhängigkeit von Messmethode, Messort in der Bezahnung und Messapparatur [16]. Kelly berichtet von Belastungen im Bereich von 50 bis 250 N während des normalen Kauens und bei Parafunktionalitäten wie z.b. Bruxismus von 500 bis 880 N [17, 18]. Werden Kaukräfte von 500 N angesetzt, so fallen Zahnbrücken mit In-Ceram-Grundgerüst in 60 % der Fälle aus, Zahnbrücken mit Empress2- Grundgerüst in 41 % der Fälle und Zahnbrücken mit TZP-Grundgerüst zu 0 %. Höchste Belastungen von 880 N überleben 99 % der In-Ceram-Zahnbrücken nicht, wie auch 94 % der Empress2-Zahnbrücken. Selbst bei dieser höchsten Belastung zeigen hingegen TZP-Zahnbrücken nur 4 % Ausfälle. Eine mögliche Vergrösserung des Verbinderquerschnittes verringert die Spitzenspannungen und damit die Versagenswahrscheinlichkeit für konventionelle Systeme. Sie führen dabei zu Querschnittsempfehlungen von 12 mm 2 (3 mm x 4 mm) im Frontzahn- und 20 mm 2 (4 mm x 5 mm) im Seitenzahngebiet (für Empress2 [3, 19]). Solcherart überkonturierte Verbinder schränken die klinische Indikationsbreite ein [20], und sie hinterlassen einen unbefriedigenden ästhetischen Eindruck. TZP-Grundgerüste erfordern keine Überkonturierung der Verbinder zur sicheren Aufnahme der Kaukräfte im Seitenzahnbereich - die getesteten 6,9 mm 2 minimaler Querschnitt sind ausreichend. Alle in dieser Studie getesteten Zahnbrücken und Grundgerüste zeigen einen Bruchverlauf ausgelöst von der gingivalen Seite des Verbinders und hinlaufend zum mittleren Brückenglied. Dies ist identisch mit dem klinisch beobachteten Versagen mehrgliedriger Zahnbrük- 9 / 21

10 ken, nach Analysen von Kelly [17, 21]. Es erfolgt am Verbinder mit Bruchauslösung an der freien Porzellanoberfläche oder der Grenzfläche zwischen Grundgerüst und Porzellan und ist mit dem Versagen bei Kronen mit Bruchauslösung von der Kavität nicht vergleichbar [12-14]. Das hier beobachtete ex vivo Versagen ist einem klinischen Versagen für den statischen Fall vergleichbar. Ein prinzipähnlicher Versuchsaufbau mit beweglichen Zahnstümpfen, wie auch hier benutzt, wurde von Kappert et. al. [22] beschrieben, wobei die Zahnbrücken auf die Stümpfe aufzementiert wurden. Das erzeugte Versagen ist gleich dem hier beschriebenen. Für In- Ceram-Zahnbrücken mit Verbindern des Durchmessers 4 mm ermittelte Kappert mittlere Bruchlasten von 703 N. Dies ist in gleicher Grössenordnung wie die hier getesteten unzementierten Testbrücken mit In-Ceram-Grundgerüst. Es wird daraus gefolgert, dass die Vereinfachungen der abgeflachten Okklusalfläche und die fehlende Zementierung einen geringen oder keinen Einfluss auf die Festigkeitsergebnisse ausüben. Kein Grundgerüst frakturierte infolge Kontaktdruck / Hertzsche Pressung (vergleiche [17] oder siehe Beispiel [23]). Daher wird weiter gefolgert, dass die vorher diskutierten Ergebnisse auch klinische Relevanz besitzen. Hingegen führt ein Versuchsaufbau mit starren Stümpfen generell zu viel höheren Bruchlasten als der gewählte mit beweglichen Stümpfen [22, 24]. Die so ermittelten Bruchlasten sind bezüglich ihrer Aussagekraft für die klinische Haltbarkeit kritisch zu hinterfragen. Die hier durchgeführten Tests machen bisher ausschliesslich Aussagen zu statischen Belastungsfällen. Dynamische Belastungen führen zu einer erheblichen Reduktion der Biegefestigkeit - im Fall von In-Ceram um 70 % und bei TZP um 50 % gegenüber den statischen Werten [17, 18, 25]. Obwohl noch keine eigene abschliessende Bewertung hierzu vorliegt, weisen diese Arbeiten auf eine geringere Empfindlichkeit von TZP gegen dynamische Beanspruchung im Vergleich zu In-Ceram hin. Eigene detaillierte Untersuchungen hierzu an Grundgerüsten sind noch in Arbeit. 10 / 21

11 Das Belastungs- und das Versagensverhalten für Testbrücken mit TZP- oder In-Ceram- Grundgerüst ist deutlich unterschiedlich. Im Fall von TZP wird während der Belastung ein Rissstoppmechanismus im Porzellan festgestellt. Ein solcher Mechanismus ist klinisch wünschenswert, da er frühzeitig ein mögliches Versagen andeutet. Das Wandern des Risses führt zu einer Entlastung des Porzellans und das Versagen der Testbrücke wird allein durch das TZP-Grundgerüst bestimmt. Dies bestätigen die Bruchflächenanalysen. Testbrücken mit In- Ceram-Grundgerüst versagen im Sprödbruch ohne Rissstoppmechanismus an der Grenzfläche Porzellan zu Grundgerüst. Bei einem solchen Versagensverhalten bergen schwache Verblendungen die Gefahr eines die Grenzfläche durchschlagenden Risses und das Versagen der Zahnbrücke wird dann nicht mehr durch das Grundgerüst bestimmt. Abschliessend kann jetzt schon festgestellt werden, dass das DCM-Verfahren in Verbindung mit TZP-Werkstoffen prinzipiell geeignet ist zur Herstellung von vollkeramischem Zahnersatz. Die Werkstoffkennwerte Biegefestigkeit und Zähigkeit von TZP sind denen anderer dentalkeramischer Werkstoffe überlegen. Grundgerüste und Zahnbrücken, welche mit dem DCM-Verfahren hergestellt wurden, zeigen eine höhere Belastbarkeit und höhere Zuverlässigkeit als die untersuchten Vergleichssysteme In-Ceram und Empress2. Eine Indikationserweiterung für vollkeramischen Zahnbrücken im Seitenzahnbereich scheint heute nun möglich. Erste klinische Resultate sind erfolgversprechend. Klinische Langzeitresultate sowie die weitere Optimierung des DCM-Verfahrens sind in Arbeit. Literatur 1. Anusavice, KJ. Recent Developments in Restorative Dental Ceramics. J Am Dent Assoc 1993:124: / 21

12 2. Anusavice, KJ. Development and Testing of Ceramics for Dental Applications. Ceramic Transactions 1995:48: Sorensen, JA. Das System IPS Empress-2 - Möglichkeiten und Grenzen. Quintessenz Zahntechnik, 2000:26: Elmiger R, Hagmann A, Wohlwend A, Schärer P. Vollkeramikbrücken: eine Utopie oder ist die Inkorporation solcher Brücken sinnvoll? Die Zahntechnik d. Schweizer Zahntechn. Vereinigung, 1989:46: Luthardt R.: Stand und Perspektiven der Bearbeitung von Zirkondioxid-Keramik. Dental-labor 1997:XLV: Filser F, Lüthy H, Schärer P, Gauckler LJ. All-Ceramic Dental Bridges by Direct Ceramic Machining (DCM). In Speidel MO and Uggowitzer PJ (eds). Materials in Medicine. Zürich: vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich, 1998: Filser F, Lüthy H, Schärer P, Gauckler LJ. All-Ceramic Restorations by New Direct Ceramic Machining Process (DCM) (abstract 1046). J Dent Res 1998:77 (special issue): Filser F, Kocher P, Lüthy H, Schärer P, Gauckler LJ. Direct Ceramic Machining (DCM) for Production of All-Ceramic Dental Bridges. In: 6th Conference and Exhibition of the European Ceramic Society (ECerS 1999). Brighton, UK: British Ceramic Proceedings, Wachtman JB. Mechanical Properties of Ceramics. New York: John Wiley & Sons, Munz D, Fett T. Mechanisches Verhalten keramischer Werkstoffe : Versagensablauf, Werkstoffauswahl, Dimensionierung. Berlin: Springer Verlag, Richerson DW. Modern Ceramic Engineering. Properties, Processing, and Use in Design. 2nd ed. New York: Marcel Dekker, / 21

13 12. Kelly JR, Campbell SD, Bowen HK. Fracture-Surface Analysis of Dental Ceramics. J Prosthet Dent 1989:62: Kelly JR, Giordano R, Prober R, Cima MJ. Fracture Surface Analysis of Dental Ceramics: Clinically Failed Restorations. Int J Prosthodont 1990:3: Thompson JY, Anusavice KJ, Naman A, Morris HF. Fracture Surface Characterization of Clinically Failed All-Ceramic Crowns. J Dent Res 1994:73: Sturzenegger B. Klinische Untersuchung von Zirkonoxidbrücken im Seitenzahnbereich hergestellt mit dem DCM-Verfahren. Inaugural-Dissertation ZZMK Universität Zürich, Klinik für Kronen- und Brückenprothektik, Teilprothetik und zahnärztliche Materialkunde. Universität Zürich: Zürich, Körber KH, Ludwig K. Maximale Kaukraft als Berechnungsfaktor zahntechnischer Konstruktionen. Dental-labor 1983:31: Kelly JR. Clinical Failure of Dental Ceramic Structures: Insights from Combined Fractography, In Vitro Testing and Finite Element Analysis. Ceramic Transactions 1995:48: Kelly JR. Ceramics in Restorative and Prosthetic Dentistry. Annual Reviews Materials Science 1997:27: Sorensen JA, Cruz M, Mito WT, Raffeiner O, Meredith HR, Foser HP. A Clinical Investigation on Three-Unit Fixed Partial Dentures Fabricated with a Lithium Disilicate Glass-Ceramic." Pract Peridont Aesthet Dent 1998:11: Pröbster L. Survival Rate of In-Ceram Restorations. Int J Prosthodont 1993:6: Kelly JR, Tesk JA, Sorensen JA. Failure of All-Ceramic Fixed Partial Dentures In Vitro and In Vivo: Analysis and Modeling. J Dent Res 1995:74: / 21

14 22. Kappert HF, Knode H, Manzotti L. Metallfreie Brücken für den Seitenzahnbereich. Herstellungsverfahren und Festigkeit von In-Ceram-Vollkeramik-Brücken. Dentallabor 1990:XXXVIII: Campbell SD, Sozi RB. Evaluation of the Fit and Strength of an All-Ceram Fixed Partial Denture. J Prosthet Dent 1988:59: Tinschert J, Natt G, Doose B, Fischer H, Marx R. Seitenzahnbrücken aus hochfester Strukturkeramik. DZZ 1999:54: Geis-Gerstorfer J, Fässler P. Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten der Dentalkeramiken Zirkondioxid-TZP und In-Ceram. DZZ 1999:54: Lüthy H. Strength and Toughness of Dental Ceramics. In: Mörmann WH (ed). CAD/ CIM in Aestethic Dentistry. Chicago, Quintessence: 1996: Geis-Gerstorfer J, Kanjantra P, Pröbster L., Weber H. Untersuchung der Bruchzähigkeit und des Risswachstums zweier vollkeramischer Kronen- und Brückensysteme. DZZ 1993:48: Claus H. Vita - In-Ceram, ein neues Verfahren zur Herstellung oxidkeramischer Gerüste für Kronen und Brücken. Quintessenz Zahntechnik 1990:16: Rieger W. Medical Applications of Ceramics. In: Kostorz G (ed). High-Tech Ceramics: Viewpoints and Perspectives. London: Academic Press, 1989: / 21

15 Anhang: Abbildungen und Tabellen Abb. 1: Werkstoffeigenschaften kommerziell verfügbarer Werkstoffsysteme für dentalkeramische Anwendung (aus [26], [27], [28], [29]). Tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid besitzt die höchste Biegefestigkeit und Zähigkeit von allen hier aufgeführten Werkstoffsystemen. Abb. 2: DCM-Verfahren zur Herstellung von Grundgerüsten für Zahnkronen und Zahnbrükken aus Zirkonoxid. Das Positivmodell des Grundgerüstes wird vollständig digitalisiert. Die Daten werden linear zur Kompensation der Sinterschrumpfung vergrössert. Aus einem vorgerfertigten keramischen leicht angesinterten Rohling wird durch Fräsbearbeitung das Gerüst vergrössert herausgearbeitet. Beim folgenden Dichtsintern schrumpft das Grundgerüst auf die Originalmasse. Anschliessende Hartbearbeitung ist nicht mehr notwendig. Zur individuellen ästhetischen Anpassung wird Verblendporzellan auf das Grundgerüst aufgetragen. 15 / 21

16 Abb. 3: (rechts). Mechanische Testvorrichtung für Grundgerüste und Testbrücken; schematisch (links) und real Abb. 4: Minimale, maximale und durchschnittliche Bruchlasten der Testbrücken und Grundgerüste. Für jede Sorte wurden 15 Bauteile getestet. Die horizontale durchgezogene Linie bei 880 N entspricht der angenommenen Maximalkaukraft im Mund. Nur Zahnbrücken mit TZP-Grundgerüsten können im Mittel der Kaukraft von 880 N (horizontale Linie) widerstehen. 16 / 21

17 Abb. 5: Bruchlasten von gleichgeformten keramischen Grundgerüsten aus TZP, In-Ceram und Empress2. Die senkrechte Linie entspricht der angenommenen maximalen Kaukraft von 880 N. Abb. 6: Bruchlasten von vollkeramischen Testbrücken mit Grundgerüsten aus TZP oder In-Ceram. 17 / 21

18 Abb. 7: Weibull-Modul in Abhängigkeit der Festigkeit für die verschiedenen Testfälle. TZP Grundgerüste und Zahnbrücken hergestellt mit dem DCM-Verfahren zeigen höhere Weibull-Moduli und höhere Festigkeit im Vergleich zu gleichgeformten Grundgerüsten aus In-Ceram oder Empress2. Abb. 8: Qualitative Belastungs-Verschiebungs-Diagramme und Bruchverhalten für die Testbrücken. Links: Testbrücken mit In-Ceram-Grundgerüst zeigen ein Versagen von der gingivalen Oberfläche des Verbinders ohne Rissstopp-Mechanismus. Rechts: Testbrücken mit TZP-Grundgerüst zeigen ein sequentielles Risswachstum und Rissstopp an der Grenzfläche Porzellan - Grundgerüst. 18 / 21

19 Abb. 9: Typisches Versagen eines TZP Grundgerüstes mit einem Bruch ausgehend von der gingivalen Seite des Verbinders und kurvenförmigem Bruchverlauf zum mittleren Brückenglied hin. Abb. 10: Bruchflächen von TZP-, In-Ceram- und Empress2-Grundgerüsten. Die Rechtecke zeigen den Bereich der Bruchauslösung im Verbinderquerschnitt (linke Spalte) an und die Pfeile deuten auf die Stelle der Bruchauslösung (rechte Spalte). Oben: TZP Grundgerüst mit Bruchauslösung an der gingivalen Oberfläche. Mitte: In-Ceram-Grundgerüst mit gingivaler Bruchauslösung. Aufgrund der zweiphasigen Mikrostruktur kann die Bruchauslösestelle kann nicht genauer lokalisiert werden. Unten: Empress2 mit gingivaler Bruchauslösung. Mehrere Poren im rechteckigen Bereich sind mögliche Stellen der Bruchauslösung. 19 / 21

20 Abb. 11: Bruchflächen von Testbrücken mit TZP- und In-Ceram-Grundgerüst. Die Rechtecke zeigen den Bereich der Bruchauslösung im Verbinderquerschnitt (linke Spalte) an und die Pfeile deuten auf die Stelle der Bruchauslösung (rechte Spalte). Oben: TZP-Testbrücke mit definitivem Versagen an der Grenzfläche zwischen TZP und Porzellan (Pfeil). Die Bruchauslösung (initialer Riss) im Porzellan konnte nicht festgestellt werden. Unten: In-Ceram-Testbrücke mit Region der Bruchauslösung im Porzellan. Die Stelle der Bruchauslösung ist mit Pfeil markiert. Abb. 12: Rekonstruktion eines fehlende Prämolaren im Oberkiefer (Zahn 25). Links: Initiale Situation. Mitte: Dreigliedrige Zahnbrücke mit TZP Grundgerüst unmittelbar nach der Eingliederung. Rechts: 14 Monate in situ. Nach 14 Monaten Tragezeit sind keine Schädigungen des TZP-Grundgerüstes oder der Verblendung zu beobachten. 20 / 21

21 Abb. 13: Rekonstruktion eines Unterkiefers mit vollkeramischem Zahnersatz mit TZP-Grundgerüst. Links: Initiale Situation im Unterkiefer mit nahezu vollständiger Abrasion der Zahnhartsubstanz infolge Bruxismus. Mitte: TZP Grundgerüste für eine viergliedrigen Zahnbrücke von 43 nach 46 und eine dreigliedrige Zahnbrücke von 34 nach 36 sowie fünf fertiggestellte Einzelkronen (Zähne 42, 41, 31, 32, 33). Rechts: Vollständig rekonstruierter Unterkiefer. TZP Grundgerüstwerkstoff Grundgerüste (ohne Verblendung) m= 8,5 F 0 = 1278 N Testbrücken (mit Verblendung) m= 6,1 F 0 = 1081 N In-Ceram Empress2 m= 2,7 F 0 = 514 N m= 3,0 F 0 = 621 N m= 3,6 F 0 = 748 N - Tab. 1: Weibull Parameter der verblendeten und unverblendeten Grundgerüste aus TZP, infiltriertem In- Ceram und Empress2. Die Festigkeit ist als charakteristische Bruchlast F 0 und die Zuverlässigkeit als Weibull- Modul m definiert. Zahnrestaurationen dreigliedrig viergliedrig fünfgliedrig Kronen Anzahl erste Kontrolle nach durchschnittlich 385 Tagen Tab. 2: Klinisch eingegliederter vollkeramischer Zahnersatz mit TZP-Grundgerüst. Die klinische Nachuntersuchung wurde durchgeführt nach durchschnittlich 385 Tagen (kürzeste 307 Tage; längste: 407 Tage). Alle Grundgerüste und Verblendungen sind intakt und zeigen keinerlei Schädigung. 21 / 21