Alles Nano? TENDENZEN NANOTECHNOLOGIE IN DER ZAHNERHALTUNG

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1 Ormocer ist eine Marke der Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung. Nanotechnologie bezeichnet Forschungsgebiete, die sich mit Strukturen in Größenordnungen bis zu nm befassen. Dabei gewinnen die Oberflächengegenüber den Volumeneigenschaften der Materialien an Bedeutung. Diedrichs: Herr Dr. Wolter, Sie sind von Berufs wegen zur Innovation genötigt. Wenn Sie die reinen Materialaspekte beleuchten, wie gestalten sich dann Innovationen? Wolter: Von Seiten der Materialentwicklung her sehe ich zwei Ansätze für Innovationen im Dentalbereich: zum einen die Matrixseite. Da hat man über viele Jahre mit Methacrylatmonomeren gearbeitet, bis eine Grenze erreicht war. Etwa 19 haben wir angefangen, spezielle Silane zu entwickeln, um daraus anorganisch-organische Hybridmaterialien (Ormocere) herzustellen. D. h., das Harz ist ein anorganisches Kondensat mit organisch polymerisierbaren Gruppen. Durch die höheren Molekulargewichte in diesen Materialien Strukturen im Nanometerbereich reduzieren sich die Nachteile der erhöhten Schrumpfung von Monomeren. Es wurden auch Vorteile bezüglich des toxikologischen Verhaltens festgestellt, weil der größte Teil der Monomere schon gebunden ist. Mit dem organischen Anteil lassen sich alle verarbeitungsoder materialrelevanten Daten erfüllen, das heißt, man kann sie genauso verarbeiten wie klassische Composite. Alles Nano? Nanotechnologie ist in aller Munde. Am deutlichsten wird dies in der adhäsiven Füllungstherapie. Seit drei Jahren sind die ersten Nano-Füllungsmaterialien auf dem Markt. In Frankfurt trafen sich Experten aus Praxis, Hochschule und Forschung zu einer Diskussion zum Thema Nanocomposite. Moderiert von Zahnarzt Uwe Diedrichs, diskutierten Prof. Dr. Claus-Peter Ernst, Poliklinik für Zahnerhaltungskunde in Mainz, Prof. Dr. Ivo Krejci, Universität Genf, Dr. Herbert Wolter, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg und Michael Rau, Zahnarzt in eigener Praxis. Diedrichs: Sie sprachen noch von einem zweiten Ansatz? Wolter: Die zweite Innovation geht vom Partikelbereich aus, denn dort war ebenfalls eine Grenze erreicht. Wenn Partikel klassisch hergestellt werden, werden sie aus Oxiden und entsprechenden Komponenten zusammengeschmolzen, gemahlen und klassifiziert. Dabei bin ich begrenzt in der Größe der Partikel und in der Form. Bei etwa 0,5 Mikrometer ist eine Grenze erreicht, die durch Mahlen nicht unterschritten werden kann. Die Form der Partikel ist nicht sphärisch, sondern völlig unregelmäßig, und die Größe nicht einheitlich. Über neue chemische Prozesse, z. B. Sol-Gel-Prozesse, können Partikel hergestellt werden, mit denen man in den Nanometerbereich gelangt, die gezielt auf eine bestimmte Größe eingestellt und funktionalisiert werden können. Damit kann man Größen kombinieren, um einen hohen Füllstoffgehalt zu erreichen. Diedrichs: Welche weiteren Entwicklungen erwarten Sie? Wolter: Wir arbeiten jetzt an Ormocer-Materialien, die komplett monomerfreie Harzsysteme Meinardus

2 Eine wissenschaftliche Broschüre von Voco bietet einen Überblick über die Composite-Generationen und erklärt die Vorteile der Nanotechnologie bei der Entwicklung dentaler Füllstoffe. Weitere Informationen: beinhalten, bei denen also alle Monomere vorab schon in die anorganischen Strukturen eingebunden sind. Diese Strukturen liegen im Nanometerbereich, d.h. es sind per se Nanostrukturmaterialien. Diedrichs: Die Entwicklung geht in Richtung Nanotechnologie. Da stellt sich die provozierende Frage: Ist überall, wo Nano draufsteht, auch wirklich Nano drin? Wolter: Es ist allgemein so, dass ein Begriff schnell überstrapaziert wird. Strukturen im Nanometerbereich sind schon in natürlichen Materialien vorhanden auch im Zahn, zum Beispiel die primäre Struktur des Kalziumphosphats. Entscheidend für die Nanotechnologie ist, ob etwas dabei herauskommt, d. h. neue Effekte und Eigenschaften Abb. 1: Seitenzahnversorgung mit Nano-Hybridcomposite Grandio; Ausgangssituation: Kariesbedingter Einbruch der Zahnhartsubstanz mesial Zahn 15. Dr. Herbert Wolter ist Chemiker am renommierten Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg. Sein Spezialgebiet ist die Entwicklung anorganischorganischer Hybridmaterialien, insbesondere für Anwendungen in der Zahnheilkunde. Die Entwicklung der dentalen Ormocere, für die er den Fraunhofer Award 19 erhielt, bildet seitdem die Basis für äußerst erfolgreiche Produktentwicklungen im Bereich der lichthärtenden Composite. Abb. 2: Kariesbedingte Erweiterung des Kavitätenumrisses in palatinale Richtung. generiert werden, und ob es funktioniert. Im Dentalbereich sind wir so weit, dass die Schrumpfung extrem reduziert wird, wenn man die Nanopartikel mit klassischen Füllerpartikeln kombiniert und damit die Lücken zwischen den großen Partikeln auffüllt. Ernst: Und die Polymerisationsschrumpfungskraft? Wolter: Die wird, wenn man eine sehr kleine Schrumpfung hat und keinen allzu hohen E-Modul, automatisch kleiner. Ernst: Aber in der Regel haben Sie, wenn Sie den Füllergehalt erhöhen, einen höheren E-Modul, und die daraus resultierende Schrumpfkraft lässt sich nicht so stark reduzieren. Wolter: Dann müssen Sie an der Matrix arbeiten, so dass sie selbst keinen großen E-Modul hat. Bei unseren Testmaterialien, die wir zusammen mit Voco entwickelt haben, ist der E-Modul, trotz Füllstoffgehalt von über Volumenprozent, nicht höher als bei anderen Compositen auch. Und wenn man eine niedrigere Schrumpfung hat, geht auch die Schrumpfkraft herunter. Diedrichs: Hinterfragen wir den Begriff Nanotechnolgie einmal kritisch: Was bringen Nanopartikel? Welche Vorteile des Materials kann der Zahnarzt nutzen? Krejci: Die Nanocomposite sind keine eigenständige Materialklasse. Nanotechnologie bezeichnet einen Herstellungsprozess, der bestimmte Dinge ermöglicht, die reproduzierbare Partikelgröße zum Beispiel. Sie können also die Größe der Partikel und die Größenverteilung besser steuern. Sie

3 Abb. 3: Ätzen der Kavität nach dem Total-etch Verfahren. haben zum Teil eine bessere Kontrolle bei dieser Herstellung, d. h., Sie können unter Umständen die Qualität besser sichern. Wolter: Auch die Zusammensetzung gestaltet sich flexibler. Wenn Sie die klassische Flammenpyrolyse nehmen, dann sind Sie diesbezüglich sehr eingeschränkt. Über die chemischen Prozesse der Nanotechnologie können Sie die Zusammensetzung mehr oder weniger frei wählen. Das heißt, Sie können Heteroelemente für die Erhöhung der Röntgenopazität mit einbringen und das im Nanometerbereich, wo es von Seiten der Lichtstreuung her nicht mehr zu Störungen kommt. Somit können Sie hochästhetische Composite mit hoher Röntgenopazität herstellen. Diedrichs: Und welche klinischen oder klinisch relevanten Eigenschaften sind durch das Dazutun von Nanopartikeln zu erwarten, die anders nicht erreicht werden können? Krejci: Sie können mit dieser Technologie nicht nur reine Nanopartikel herstellen, sondern diese Partikel im Sinne von Clustern größer werden lassen. Dann hat man eine gute Kontrolle über die Größe dieser Partikel, und damit kann man spielen. Sie können z. B. das Handling der Compositmaterialien steuern: Klebrigkeit und Standfestigkeit lassen sich gezielter einstellen, als man das mit der konventionellen Herstellungstechnologie tun könnte. Sie können z. B. auch die Farbpigmente homogener verteilen. Diedrichs: Sie sind Anwender eines Nanohybridcomposits, Herr Rau. Was waren für Sie Gründe, sich dafür zu entscheiden? NANOTECHNOLOGIE IN DER ZAHNERHALTUNG TENDENZEN Abb. 4: Applikation von Solobond M auf Schmelz und Dentin. Rau: Es hat eine deutlich geringere Haftung an Modellierinstrumenten, es lässt sich sehr schön bearbeiten und man muss nicht immer den großen Diamanten nehmen, um eine Form zu produzieren, die man vor der Aushärtung vielleicht auch mit einem Instrument produzieren kann. Und es ist nicht so zäh, dadurch lässt es sich leichter auch in Unterschnitte bringen. Diese Nanomaterialien, speziell das Grandio, lassen sich leichter applizieren und in die Kavität einbringen. Was sich nicht ändert, ist das mehrschichtige Verfahren, abhängig von der Kavitätenform und der -größe. Der Zeitaufwand ist keineswegs geringer geworden, aber das Material lässt sich angenehmer verarbeiten. Die bessere Modellierbarkeit, besonders mit Silikoninstrumenten, bringt eine sehr schöne, fast fertige Oberfläche mit sich, die im molaren oder prämolaren Bereich nur wenig nachbearbeitet werden muss und die auch im Frontzahnbereich sehr gut und ästhetisch anwendbar ist. Es ist Prof. Dr. Ivo Krejci ist seit 19 Ordinarius und Vorsteher der Division Kariologie und Endodontologie an der Universität Genf, Schweiz, nachdem er zuvor den Bereich konservierende Zahnmedizin an der Klinik für Präventivzahnmedizin, Parodontologie und Kariologie, ZZMK der Universität Zürich sechs Jahre lang leitete. In Zürich habilitierte er auch 19 zum Thema Zahnfarbene Restaurationen. Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC Dr. Herbert Wolter Neunerplatz 2 D-9 Würzburg Tel.: +49(0) 931 / Fax: +49(0) 931 / wolter@isc.fraunhofer.de

4 In der Zahnheilkunde kommt die Nanotechnologie bei adhäsiv verarbeitenden Kunststoffen und Versiegelungsmaterialien zum Einsatz. Nanocomposite sind belastbar, abrasionsbeständig und genügen hohen ästhetischen Ansprüchen. Vom. bis zum. September gab die NanoEurope in St. Gallen einen Überblick über die Nanotechnologie. Die Medizintechnik war eine der Schlüsselbranchen im Focus der Messe. Weitere Informationen: wirklich universell anwendbar, auch mit ästhetischem Anspruch und zeigt eine gute Polierbarkeit; für die alltägliche Praxis okay. Abb. 5: Applikation einer ersten Schicht Nano-Hybridcomposite (Grandio) im Bereich des Kastenbodens mit einem Handinstrument. Prof. Dr. Claus-Peter Ernst ist seit 19 Oberarzt an der Poliklinik für Zahnerhaltungskunde der Gutenberg-Universität in Mainz (Direktorin: Prof. Dr. Dipl.-Chem. B. Willershausen-Zönnchen). Seine Hauptarbeitsgebiete liegen in der adhäsiven Zahnheilkunde: Composite, Adhäsivsysteme, Lichtpolymerisation, Esthetic Dentistry und Prophylaxe. Abb. : Die fertige Restauration stellt die okklusale Anatomie funktionell und ästhetisch wieder her. Abb. 1 bis : PD Dr. Jürgen Manhart, Universität München Diedrichs: Wie schneiden diese Materialien in Ein- bis Zweijahresstudien ab? Gibt es Erkenntnisse, die über das Handling des Materials hinaus nahe legen, sich für diese Materialgruppe zu entscheiden? Ernst: Bei der Jahrestagung der American Association for Dental Research (AADR) stellte eine Erlanger Arbeitsgruppe eine Untersuchung vor, in der Grandio gegen Tetric Ceram im Split-Mouth-Verfahren verglichen wurde. Tetric Ceram wurde als Referenzmaterial gewählt, weil es ein seit Jahren bewährtes Füllungsmaterial ist, mit dem es keine Probleme gibt. Es gibt vielleicht bessere Materialien, nachweisbar in In-vitro-Untersuchungen, aber es gibt keine Probleme damit ein wichtiges Kriterium für ein Kontrollmaterial. Im Endeffekt zeigten die Zweijahresergebnisse gleich gute Ergebnisse für beide Materialien. Wenn ich die Erlanger Arbeitsgruppe zitiere, und wenn ich unsere eigene Studie zu Tetric Ceram und Filtek Supreme anschaue, dann komme ich zu dem Schluss: Nach zwei Jahren gibt es keine Unterschiede zwischen einem konventionellen und einem Nanofüllermaterial. Diedrichs: Herr Prof. Krejci, Sie haben sich mit dem Schrumpfungsverhalten dieser Materialgruppe schon früh beschäftigt. Zeigen sich da Vorteile? Krejci: Man muss nochmals betonen: Bei diesen Nanocomposite-Materialien handelt es sich nicht um eine homogene Materialgruppe. Es ist immer nur ein einzelnes Produkt, welches vielleicht als Nanocomposite apostrophiert wird, auf das sich dann die entsprechenden Resultate beziehen. Wenn Sie Grandio ansprechen und Filtek Supreme: Beide Materialien werden vielleicht als Nanocomposite bezeichnet. Nichtsdestotrotz unterscheiden sie sich deutlich in ihrer Konstruktion. Das gilt auch für das Schrumpfungsverhalten. Man kann nicht das Schrumpfungsverhalten der Nanocomposite allgemein charakterisieren. Es kommt darauf an, um welches Produkt es sich handelt. Und bei den unterschiedlichen Produkten werden auch unterschiedliche Bestandteile nanotechnologisch hergestellt. Diedrichs: Wo sehen Sie Entwicklungsbedarf, was die Eigenschaften der Materialien angeht, und wo sehen Sie Entwicklungsperspektiven für Materialgruppen der Zukunft?

5 Krejci: Es geht immer noch um die Schrumpfungsreduktion, das ist ein Hauptthema. Der zweite, sehr wichtige Punkt sind die ästhetischen Belange. Die Composite sind ästhetisch heute gar nicht so schlecht. Sie sind mittlerweile als definitive Restaurationsmaterialien gut akzeptiert. Im Moment erfolgt der nächste Schritt in der Entwicklung: Die Compositematerialien sollten nicht nur in Bezug auf die Haltbarkeit, sondern auch in Bezug auf die Ästhetik mit der Keramik gleichziehen. NANOTECHNOLOGIE IN DER ZAHNERHALTUNG TENDENZEN ZA Michael Rau studierte in Mainz und Frankfurt Physik, Humanmedizin, Betriebswirtschaft und Zahnmedizin. Seit 13 Jahren ist er als Zahnarzt in freier Praxis niedergelassen; seit sieben Jahren führt er seine Praxis in Gründau bei Frankfurt/Main. Im Zuge seiner praktischen Tätigkeit verfügt er über eine jahrelange Erfahrung beim Einsatz moderner Nano-Hybridcomposite. Ernst: Bei den physikalischen Eigenschaften ist die Abrasion immer noch ein Thema. Es ist nicht mehr das Problem, das es noch vor zehn bis 15 Jahren war, aber es ist immer noch bedeutend. Diedrichs: Abrasion in Bezug auf Oberflächenqualität oder Substanzverlust? Ernst: In Bezug auf Substanzverlust, aber auch die Biegebruchfestigkeit ist nicht zu vernachlässigen, da gerade die direkten Composite-Restaurationen im Seitenzahnbereich immer größer werden. Sekundäkaries und Füllungsfrakturen sind die Hauptgründe zum Austausch einer Compositefüllung. Wolter: Bezüglich Abrasionsverhalten, auch mechanische Festigkeit, Schrumpfungsverhalten, sicher auch bezüglich Schrumpfungskraft erwarten wir durch die Kombination von modifizierten Ormocer-Matrixsystemen und funktionalisierten Nanopartikeln noch einmal einen Sprung. Das sind die Perspektiven für die nächsten zwei, drei Jahre. Diedrichs: Ich danke Ihnen für Ihre Teilnahme und Ihre Gesprächsbereitschaft