Abplatzende Keramik bei vollkeramischen Kronen und Brücken

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1 Materialkunde Abplatzende Keramik bei vollkeramischen Kronen und Brücken Niek de Jager, Anne van Dalen, Cees Kleverlaan Inhalt Computersimulation Ergebnisse Spannungen in der Grenzfläche Was können wir daraus lernen? Keramische Materialien werden bereits seit Jahrzehnten für einschichtige Restaurationen eingesetzt. Zu den größten Nachteilen dieser einschichtigen keramischen Materialien gehört ihre relativ geringe Festigkeit. Versuche, die glasartige Matrix dieser Materialien zu verstärken, führten zu opaken Materialien ohne die ästhetischen Eigenschaften, die diese Materialien gerade so interessant machten. Derzeit verwendet man bei der Konstruktion von vollkeramischen Kronen und Brücken Zirkonia als Kappe beziehungsweise als Gerüst. Anschließend wird dieses Material mit einer Keramikschicht überzogen, um so die verlangte Ästhetik zu erreichen. Diese zweischichtigen Restaurationen weisen eine hohe Festigkeit und Ästhetik auf und sind für die Verwendung sowohl im vorderen als auch im hinteren Mundbereich geeignet [1]. Das erzielte Ergebnis hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Form der Kappe bzw. des Gerüsts, der Stärke der Keramik und dem gewählten Zement. Auch Faktoren, die mit den Materialeigenschaften zusammenhängen sind von Bedeutung, zum Beispiel die abschließende Behandlung der Oberfläche der Kappe bzw. des Gerüsts, das Brennprogramm und die 1

2 Abkühlgeschwindigkeit sowie der Unterschied zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten der Kappe bzw. des Gerüsts und dem der Keramikschicht. In der Regel wird für die Verblendkeramik ein etwas niedriger Ausdehnungskoeffizient gewählt. Das führt zu Druckspannungen in der Keramik, und da Keramik unter Druckspannung eine höhere Festigkeit aufweist als unter Zugspannung, erhält man so eine stabilere Konstruktion. Dieses Verfahren wurde bei Metallkeramikrestaurationen angewandt und angesichts seiner guten Ergebnisse nun auch bei vollkeramischen Restaurationen. Es stellt sich jedoch die Frage, ob ein Verfahren, mit dem man bei einer bestimmten Materialkombination gute Ergebnisse erzielt, für eine andere genauso gut geeignet ist. Bei Metall können sich die Spannungskonzentrationen aufgrund von plastischen Verformungen verringern, bei spröden keramischen Werkstoffen ist das jedoch nicht der Fall. Mit Kenntnissen über die Auswirkung des Ausdehnungskoeffizienten auf die Bruchwahrscheinlichkeit lassen sich Restaurationen verbessern. Computersimulation Mithilfe von Computersimulation (Methode der finiten Elemente) wurden verschiedene Keramiken unterschiedlicher Hersteller in einer aus einer Zirkonia-Kappe mit Verblendkeramik bestehenden Vollkeramikkrone hinsichtlich ihrer Festigkeit miteinander verglichen. Dazu wurden für die jeweiligen Produkte die Spannungen ermittelt, die aufgrund der Gesamtauswirkungen der Beißkräfte, der Schrumpfung der Zementschicht und der von den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Keramikschichten hervorgerufenen Restspannung in einer Krone auftreten. Bei dem Ausdehnungskoeffizienten α handelt es sich um die Dehnung des Materials je Grad Temperaturunterschied. Das Produkt aus Ausdehnungskoeffizient und Temperaturunterschied während des Abkühlvorgangs ist die prozentuale Schrumpfung. 2

3 Aus dem Unterschied des Ausdehnungskoeffizienten Δα = α Zirkonia α Verblendkeramik multipliziert mit dem Temperaturunterschied zwischen der Glasübergangstemperatur T g und der Umgebungstemperatur ΔT = T g - 25 ergibt sich der Unterschied in der freien prozentualen Schrumpfung der beiden verwendeten Materialien für die jeweilige Restauration. Bei der Glasübergangstemperatur handelt es sich um die Temperatur, bei der aus der flüssigen Keramik ein festes Material wird. In Tabelle 1 sind die verschiedenen Hersteller und die entsprechenden Unterschiede in der freien prozentualen Schrumpfung aufgeführt. Die Werte wurden der Literatur [2] entnommen bzw. entsprechen im Fall der Produkte der Elephant Dental BV den Herstellerangaben. Da die Materialien während des Aufbrennens nicht frei schrumpfen können, entstehen Spannungen im Material. Tabelle 1 Übersicht der verschiedenen Materialkombinationen Material Hersteller Unterschied in der Schrumpfung Δα x ΔT (10-6 ) IPS e.max Ivoclar-Vivadent AG 185 Sakura Interaction Elephant Dental BV 319 Creation ZI Creation Willi Geller International AG 418 Lava Ceram 3M Espe AG 471 Cerabien ZR Noritake Kizai Co., Limited 481 Wieland Dental + Technik GmbH & Co, KG. 551 Nobel Rondo TM Zirconia Nobel Biocare AB 602 Vita VM9 Vita Zahnfabrik GmbH 868 3

4 Bei der Computersimulation wurde eine mit CAD-CAM hergestellte Krone mit mehreren Keramikschichten für den ersten Molar des Unterkiefers (Zahn 46) verwendet. Das CAD-Modell dieser Krone wurde in ein dreidimensionales Modell der Methode der finiten Elemente umgesetzt. Es besteht aus zwei Keramikschichten (eine Schicht Verblendkeramik und eine Kappe aus Zirkonia), einer Zementschicht und der Präparation des Molars (Abb. 1). Krone 1 Verblendkeramik Zirkonia-Kappe Zement Präparation Abb. 1 Die verschiedenen Schichten, aus denen sich das Modell zusammensetzt. Die Spannungsverteilung infolge der Gesamtauswirkungen der Beißkräfte, der Schrumpfung der Zementschicht und der von den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Keramikschichten hervorgerufenen Spannung wurde mithilfe von FEMAP- und NX Nastran- Software ermittelt. 4

5 Diese Software kommt auch in der Luftfahrt, der Autoindustrie und dem Hoch- und Tiefbau zur Anwendung. Sie ermöglicht die Berechnung der infolge von einwirkenden Kräften auftretenden inneren Spannungen in Materialien. Nacheinander wurden die Spannungen berechnet, die infolge der nachstehenden Faktoren entstehen: 1) infolge der Beißkräfte, 2) infolge der Schrumpfung des Zements, 3) infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der zwei Keramikschichten, aus denen die Krone aufgebaut ist. Mithilfe dieser drei Ergebnisse wurden anschließend die Gesamtspannungen ermittelt, die sich aus diesen Faktoren ergeben. 1) Spannungen infolge der Beißkräfte In dieser Studie wird davon ausgegangen, dass die auf diese Molaren einwirkende Beißkraft 665 N beträgt, was der maximalen Beißkraft [3] entspricht, ungeachtet der Schlussfolgerung Nishigawas [4], dass die maximale Beißkraft bei Bruxismus während des Schlafens die für einzelne Personen geltenden 800 N überschreiten kann. Die Beißkraft war über die Okklusionspunkte verteilt und richtete sich senkrecht auf die Kontaktoberfläche. Für die sich daraus ergebende vertikale Komponente wurde ein Wert von 665 N bestimmt. 2) Spannungen infolge der Schrumpfung der Zementschicht Bei der Aushärtung von Kompositzement handelt es sich um einen komplexen zeitabhängigen Vorgang, bei dem die Materialeigenschaften innerhalb relativ kurzer Zeit eine drastische Veränderung durchmachen. Zur Ermittlung der Spannungen, die infolge der Schrumpfung der 5

6 Zementschicht während des Aushärtevorgangs auftreten, wurde ein Materialmodell für RelyX ARC mit einer Schichtstärke von 140 µm verwendet [5]. Dieses Modell basiert auf der Eigenschaft von zum Beispiel Metallen, die sich bei Dehnung zunächst elastisch verformen und sich anschließend bei Belastung über die Dehngrenze hinaus plastisch verformen. Die plastische Verformung simuliert die viskoelastische Phase und die elastische Verformung die elastische Phase während des Aushärtevorgangs des Zements. 3) Restspannungen infolge des Herstellverfahrens der Krone Zur Ermittlung der Restspannungen, die infolge des Herstellungsverfahrens auftreten, wurden der Unterschied zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Zirkonias und dem der Verblendkeramik sowie der Unterschied zwischen der Glasübergangstemperatur T g und der Umgebungstemperatur herangezogen. Ergebnisse Es wurden für alle Schichten die jeweiligen Spannungen berechnet. In den Abbildungen 2 und 3 sind nur die Spannungen der Verblendkeramik dargestellt. Der Pfeil zeigt an, an welcher Stelle der Grenzfläche die höchste Spannung auftritt; die unterschiedlichen Farben geben die jeweilige Spannungshöhe wieder. 6

7 In Abbildung 2 ist die Spannungsverteilung der maximalen Grundspannung (die höchste Zugspannung an jedem Punkt) in der Verblendkeramik in der Grenzfläche zu der Kappe für die Materialkombination Sakura Interaction dargestellt und in Abbildung 3 für die Materialkombination Vita VM9. MPa Spannungen in der Verblendkeramik Sakura Interaction Abb. 2 Die Spannungen in der Verblendkeramik (in MPa) im Fall von Sakura Interaction; der Pfeil zeigt an, an welcher Stelle der Grenzfläche zwischen Kappe und Verblendkeramik die höchste Spannung auftritt. 7

8 MPa Spannungen in der Verblendkeramik Vita VM9 Abb. 3 Die Spannungen in der Verblendkeramik (in MPa) im Fall von Vita VM9; der Pfeil zeigt an, an welcher Stelle der Grenzfläche zwischen Kappe und Verblendkeramik die höchste Spannung auftritt. Außerdem treten Zugspannungen in de Okklusionsfläche auf, die insbesondere durch Kaukräfte hervorgerufen werden und in nahezu keinem Zusammenhang mit den verwendeten Materialien stehen. In Tabelle 2 ist die höchste maximale Grundspannung in der Verblendkeramik in der Grenzfläche zu der Kappe für die verschiedenen Materialkombinationen dargestellt, die infolge der Gesamtauswirkungen der Beißkräfte, der Schrumpfung der Zementschicht und der von den 8

9 unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Keramikschichten hervorgerufenen Spannung auftritt. Tabelle 2 Die höchsten Zugspannungen in der Keramik in der Grenzfläche zu der Kappe (in MPa) infolge der Gesamtauswirkungen. Material Hersteller Gesamt- spannung (in MPa) IPS e.max Ivoclar-Vivadent AG 24,2 Sakura Interaction Elephant Dental B.V 26,8 Creation ZI Creation Willi Geller International AG 29,1 Lava Ceram 3M Espe AG 30,4 Cerabien ZR Noritake Kizai Co., Limited 30,7 Wieland Dental + Technik GmbH & Co, KG. 32,5 Nobel Rondo TM Zirconia Nobel Biocare AB 33,9 Vita VM9 Vita Zahnfabrik GmbH 42,6 Spannungen in der Grenzfläche Aus der Spannungsverteilung in der Keramik auf der Grenzfläche zwischen der Verblendkeramik und der Kappe, die sich aus den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Zirkonias und der Keramik ergibt, geht hervor, dass in der Keramikschicht der Grenzfläche nicht nur Druckspannungen auftreten, sondern auch Zugspannungen. Dies galt es jedoch gerade zu 9

10 vermeiden. Bei einer früheren Studie [13] stellte sich heraus, dass diese Spannungsverteilung in hohem Maße von den geometrischen Abmessungen der Kappe und der Keramikschicht abhängt. Das erklärt auch, warum man bei anderen Studien zu anderen Ergebnissen kam, zum Beispiel bei der Studie von Fischer et al. [7]. Dort wird geschlussfolgert, dass ein bestimmter Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten zu einer höheren Festigkeit führt, obgleich die Wirkung lediglich gering ist. Es kann sein, dass bei der von Fischer et al. untersuchten Krone die Druckspannungen gerade an den Stellen entstanden, an denen die höchsten Zugspannungen infolge der Beißkräfte auftraten. Wie bereits erwähnt ist das nicht immer der Fall. Was können wir daraus lernen? Aus der Literatur geht hervor, dass Zugspannungen in der Keramik an der Grenzfläche zwischen Zirkonia und Verblendkeramik je nach Material oberhalb von ca. 30 MPa (orangefarbenes Gebiet in den Abbildungen) zur Ablösung der Keramikschicht von dem Zirkonia führen kann [8]. In der Folge kann es zum Abplatzen der Keramik kommen. Bei der in dieser Studie verwendeten Krone führt ein größerer Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten zu höheren Zugspannungen, wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist. Es scheint also empfehlenswert zu sein, bei der Kombination der Materialien Zirkonia und Verblendkeramik für Kronen und Brücken nur geringfügig unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zu wählen. Damit lässt sich verhindern, dass die Zugspannungen in der Grenzfläche gerade an den Stellen auftreten, an denen auch die Beißkräfte Zugspannungen hervorrufen, was möglicherweise verhängnisvolle Folgen hat. 10

11 Literaturverzeichnis [1] Volkl L. Cercon - The all-ceramic CAM system by Degussa dental. Quint 2001; 52: [2] Fischer J, Stawarzcyk B, Trottmann A, Hämmerle CHF. Impact of thermal misfit on shear strength of veneering ceramic/zirconia composites. Dent. Mat., 2009; 25: [3] Craig RG. Restorative Dental Materials. Missouri, Mosby-Year Book; 1997, p. 56. [4] Nishigawa K, Bando E and Nakano M. Quantitative study of bite force during sleep associated bruxism. J Oral Rehabil, 2001; 28(5): [5] De Jager N, Pallav P, and Feilzer AJ. Finite element analysis model to simulate the behavior of luting cements during setting. Dent. Mat., 2005; 21(11): [6] De Jager N, Pallav P, and Feilzer AJ. The influence of design parameters on stress distribution in CAD-CAM produced all-ceramic dental crowns. Dent Mater. 2005; 21(3): [7] Fischer J, Stawarzcyk B, Trottmann A, Hämmerle CH. Impact of thermal misfit on shear strength of veneering ceramic/zirconia composites. Dent Mater. 2009; 25(4): [8] Aboushelib MN, Feilzer AJ, de Jager N, Kleverlaan CJ. Prestresses in bilayered all-ceramic restorations. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2008; 87(1):