Das internationale Journal für die Zahntechnik

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1 Das internationale Journal für die Zahntechnik Sonderdruck CoCr-Revolution Fräsbare CoCr-Rohlinge für die Inhouse- Fertigung: Wertschöpfung, Kontrolle und Komfort Schnell gefräst, sicher verblendetl Neue Technik, um Chrom-Kobalt-Molybdän trocken im Labor zu fräsen So gut wie gegossen Vergleich der mechanischen Eigenschaften einer CoCr-Sinter- mit einer CoCr-Guss - legierung CoCr Sinter- vs. CoCr Gusslegierung Vergleich der Biokompatibilitäts- und Korrosionseigenschaften einer CoCr- Sinter- mit einer -Gusslegierung überreicht durch Amann Girrbach AG Herrschaftswiesen Koblach AUSTRIA Fon: Fax:

2 dd S P E C I A L D I G I TA L E Z A H N T E C H N I K Fräsbare CoCr-Rohlinge für die Inhouse-Fertigung: Wertschöpfung, Kontrolle und Komfort CoCr- Revolution Ein Beitrag von Dipl.-Ing. Falko Noack, Dornbirn/Österreich CAD/CAM wurde lange Zeit gleichgesetzt mit Zirkonoxid. Der Grund hierfür war der, dass die Inhouse-Fertigung erst mit der Einführung des vorgesinterten (Weißlings-) Zirkonoxids boomte. Die Gesundheitsreform, aber auch sinkende Reallöhne sorgen dafür, dass die Nachfrage nach Zahnersatz aus edelmetallfreien Legierungen steigt. Hierfür bietet sich die CAD/CAM-gestützte Fertigung an. Allerdings werden sehr hohe Anforderungen an die Fertigungseinheit gestellt (Kühlmittelzufuhr, Steifigkeit der Maschine et cetera), weshalb diese Materialklasse oft aus zentralisierter Fertigung/Fertigungszentren geordert werden musste. Amann Girrbach bietet mit Ceramill Sintron CoCr-Rohlinge an, die inhouse trocken gefräst werden können und somit eine sehr interessante Möglichkeit darstellen, das laboreigene CAD/CAM-System ideal auszulasten. Produktidee Im Zuge der Weiterentwicklungen im CAD/CAM-Bereich steigt vor allem die Nachfrage nach zusätzlichen Materialien. Sind keramische Materialien und Kunststoffe bereits in einem hohen Maß für die CAD/CAM-Inhouse-Fertigung vorhanden, besteht für eine der bewährtesten und verbreitetsten Klassen von dentalen Restaurationsmaterialien noch eine Lücke in der Anwendbarkeit. Die Rede ist von EMF*-Legierungen. Speziell CoCr- Legierungen stellen einen großen Anteil der zahntechnischen Ersatzmaterialien dar. Allerdings konnte dieser Werkstoff bislang jedoch nur in zentralisierter Fertigung (Laserschmelzverfahren) oder auf massiven, kostenintensiven Fräsmaschinen (Fräsverfahren aus dem dichten Material) CAD/ CAM-gestützt verarbeitet werden. Daher war das Ziel der Entwicklung der Ceramill Sintron, diese Lücke zu schließen und einen fräsbaren Rohling inklusive Herstellprozess zu entwickeln, der die wirtschaftliche Verarbeitung von CoCr im CAD/CAM-Inhouse-Bereich ermöglicht. Die grundlegenden Produkt - anforderungen wurden somit wie folgt definiert: Fräsbarkeit analog zu vorgesintertem Zirkonoxid Direkte Verarbeitung des Materials, ohne zusätzlichen Gießprozess Zeiteffiziente Sinterung des Materials Erfüllung aller zahntechnisch relevanten Materialeigenschaften Verblendbarkeit des Materials mit handelsüblichen Metallkeramiken Kosteneffizienter Herstellungs - prozess für CoCr-Gerüste Produktbeschreibung Ceramill Sintron Rohlinge liegen im Grünlingszustand vor und bestehen aus einer CoCrMo-Legierung, die durch einen organischen Binder zusammengehalten wird. Die Legierung dient der Herstellung von vollanatomischen beziehungsweise anatomisch reduzierten Kronen- und Brückenkonstruktionen und ist gemäß DIN EN ISO zur Herstellung von festsitzendem oder herausnehmbarem Zahnersatz mithilfe von CAD/CAM-Systemen geeignet(abb. 1). Zahnersatz aus dieser Legierung wird beim Patienten als invasives Produkt zur langzeitigen Anwendung in der Mundhöhle eingesetzt. Damit handelt es sich um ein Medizinprodukt der Klasse IIa. Der Werkstoff wird in einem wachsartigen Zustand (ungesintertes Metallpulver, das durch einen Binder zusammen gehalten wird = Grünling) bearbeitet und anschließend in einem speziellen, eigens für dieses Material entwickelten Hochtemperatur- Sinterofen gesintert. Dieser Sinterprozess verläuft unter einer Argon-Schutzatmosphäre (Argon 4.6) mit einem vorprogrammierten, auf diese Legierung abgestimmten Temperaturprogramm, bei dem das zahntechnische Objekt auf seine vorher berechnete Endgröße schrumpft. Im gesinterten Zustand weist das Material die für eine Legierung des Typs 4 (DIN EN ISO 22674) notwendigen Eigenschaften auf, vergleichbar zu den seit vielen Jahren erfolgreich verwendeten CoCrMo-Gusslegierungen. Auch die zahntechnische Indizes CAD/CAM CoCr-Legierung Fräsprozess Grünling Inhouse-Fertigung Sintern 2 dental dialogue 13. JAHRGANG 08/2012 * EMF- oder Edelmetallfreie-Legierungen sind in der Regel Kobalt-Chrom Legierungen

3 D I G I TA L E Z A H N T E C H N I K S P E C I A L dd 1 Arbeitsschritte zur Herstellung eines CoCrMo-Gerüsts Abb. 1 Ceramill Sintron Rohlinge bestehen aus einer CoCrMo-Legierung im Grünlingszustand und dienen der CAD/CAM-gestützten Herstellung von vollanatomischen beziehungsweise anatomisch reduzierten Kronen- und Brückenkonstruktionen Mechanische, physikalische Eigenschaften nach Endsinterung Zugfestigkeit (Rm) 830 MPa 0,2 % Dehngrenze (Rp0,2) 450 MPa E-Modul (E) 200 GPa Bruchdehnung 20 % Vickershärte (HV 10) 280 Wärmeausdehnungskoeffizient ( C) 14,5 *10-6/K A. Gusstechnische Verfahren 1. Modellherstellung, Artikulation 2. Modellvorbereitung (Härten, Lackieren der Stümpfe) 3. Wachsmodellation 4. Anstiften 5. Einbetten 6. Vorwärmen und Gießen 7. Ausbetten und Abstrahlen 8. Abtrennen der Gusskanäle 9. Ausarbeiten 10. Politur oder Vor be rei - tung für den keramischen Brand B. CAD/CAM- Sinterverfahren 1. Modellherstellung, Artikulation 2. Modellscan 3. CAD-Konstruktion 4. CAM (Fräsen der Kons - truktion aus einem CoCrMo- Rohling) 5. Heraustrennen und Verschleifen 6. Sintern 7. Politur oder Vor be rei - tung für den keramischen Brand Weiterverarbeitung/Veredelung, wie etwa das Aufbrennen einer keramischen Verblendung sowie die Reparaturfähigkeit durch Laserschweißen ist, adäquat zu den aufbrennfähigen CoCrMo-Gusslegierungen, möglich. Somit ist es gelungen, ein Material zu entwickeln, das die Eigenschaften zweier, bereits erfolgreich verwendeter und klinisch erprobter Materialien in sich vereint. Die chemische Zusammensetzung, das makroskopische Aussehen, die mechanischen und biologischen Eigenschaften sowie die Verarbeitungseigenschaften im gesinterten Zustand sind praktisch mit denen der bereits seit vielen Jahren klinisch bewährten CoCrMo-Gusslegierungen identisch. Die CAD/CAM-technische Bearbeitung von Rohteilen in einer materialtechnischen Vorstufe sowie der anschließende Sinterprozess von Zirkonoxid, das unter anderem als keramisches Gerüstmaterial für zahntechnische Restaurationen verwendet wird, sind seit einigen Jahrenbekannt und heute Stand der Technik. Neben den zahlreichen Gemeinsamkeiten zu Gusslegierungen zeigt Ceramill Sintron folgende Vorteile: aufgrund des Sinterprozesses unter Schutzgas keine oder nur geringe Oxidationsspuren erhöhte Prozesssicherheit durch Anwendung des Materials in stark automatisierten CAD/CAM-Verfahren verbesserte Reproduzierbarkeit der Endergebnisse, da die Möglichkeiten der Manipulation gegenüber dem Gießprozess verringert sind homogene und identische Legierungszusammensetzung in der gesamten Rekonstruktion, da das Aufschmelzen der Legierung unterbunden wird kein deutlicher Nachteil gegenüber Guss bezüglich des Materialverbrauchs (Gusskanäle bei gegossenen Konstruktionen sollten auch nicht wieder verwendet werden) Zeitersparnis bei der Herstellung dentaler Restaurationen (geringerer Arbeitsaufwand für den Zahntechniker) geringere Materialkosten, da Verbrauchsmaterialen zum Modellieren und Vergießen (Einbettmasse, Wachs, et cetera) nicht benötigt werden Verarbeitungsprozess In der tabellarischen Auflistung (siehe oben) ist eine Gegenüberstellung der Prozessschritte zur Herstellung eines zahntechnischen CoCrMo-Gerüsts nach dem Guss- und nach dem CAD/CAM- Sinterverfahren dargestellt. Aus der Gegenüberstellung wird ersichtlich, dass für die Herstellung einer zahntechnischen Konstruktion mit dem CAD/ CAM-Sinterverfahren weniger Arbeitsschritte notwendig sind. Prozesstechnisch betrachtet, ergeben sich beim Verarbeitungsprozess von Ceramill Sintron deutlich weniger Fehlerquellen als beim herkömmlichen Gießprozess. Bei Ceramill Sintron werden die Werkstoffeigenschaften, speziell die Legierungszusammensetzung, weder während des Fräsprozesses noch beim anschließenden Sinterprozess (Festphasensinte- 13. JAHRGANG 08/2012 dental dialogue 3

4 dd S P E C I A L D I G I TA L E Z A H N T E C H N I K 2 Abb. 2 Ceramill Sintron ist beispielsweise für anatomisch reduzierte Kronen- und Brückengerüste im Front- und Seitenzahnbereich indiziert 3 rung unter Schutzgasatmosphäre) verändert. Dies ist bei der gusstechnischen Umsetzung von CoCrMo-Gerüsten in dieser Art nicht immer gewährleistet. In Folge des vollständigen Aufschmelzens der Legierung im Verlauf des Gießprozesses kann es aufgrund von Konzentrationsgradienten in der Schmelze zu Entmischungserscheinungen kommen. Somit ordnen sich während des Erstarrungsprozesses der Schmelze nicht alle Legierungskomponenten gleichmäßig und homogen im Gefüge an. Bestimmte Bereiche des Gefüges verarmen zu Gunsten der Anreicherung von anderen Bereichen dann an Legierungskomponenten. Zudem kann es aufgrund zu hoher Schmelztemperaturen zur Reduzierung der niedrig schmelzenden Legierungsbestandteile kommen. Die Legierungszusammensetzung wird dadurch verändert. Weiterhin können in Folge von Interaktionen der Schmelze mit der Einbettmasse Kontaminationen der Legierung auftreten, indem Bestandteile der Einbettmasse, aus der die Gussform besteht, in die Legierung überführt werden. Auch ist anzumerken, dass der Gussprozess, speziell beim Gießen mit offener Flamme eine starke Oxidation des Gussobjektes mit sich bringt. Diese Oxidationsschicht wird nach dem Ausbetten des Objekts mittels Sandstrahlen entfernt. Beim Sandstrahlen handelt es sich um ein erosives, abtragendes Verfahren, das die Passgenauigkeit speziell im Kronenrandbereich negativ beeinflussen kann. Durch ungenaue Steuerung der Einbettmasseexpansion können im Gussobjekt Verzüge und andere Passungsungenauigkeiten hervorgerufen werden. Zudem kann es auch durch Rückstände des Modelliermaterials (Wachs oder Kunststoff ) zu Verunreinigungen in der Legierung kommen, die dann ebenfalls eine Veränderung der Legierungszusammensetzung und gegebenenfalls eine Veränderung der mechanischen und biologischen Eigenschaften nach sich ziehen können. Alle diese aufgezeigten Risiken werden durch den Verarbeitungsprozess von Ceramill Sintron umgangen. Entmischungserscheinungen sind während des Sinterprozesses nicht oder in nur äußerst geringem Ausmaß möglich, da es sich bei der Sinterung um einen diffusionsgesteuerten Materialtransport ohne Bildung einer flüssigen Phase handelt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom so genannten Festphasensintern, wie man es auch vom Weißlings-Zirkonoxid kennt. Verunreinigungen der Legierung von außen, beispielsweise durch Einbettmasse oder Rückstände des Modelliermaterials sind ausgeschlossen, da beide Materialien beim Verarbeitungsprozess von Ceramill Sintron nicht zum Einsatz kommen. Auch Verzüge durch thermisch induzierte Spannungen beim Fräsprozess sind auszuschließen, da es während der frästechnischen Bearbeitung des Grünlings zu keinen thermischen Einflüssen auf das Material kommt. Und da die Sinterung unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, ist die Oberflächenoxidation des Sintergutes auf ein Minimum reduziert. Mehr oder weniger aufwändige und die Passgenauigkeit mindernde Abstrahlprozesse entfallen daher. Aus den beschriebenen Gründen kann gefolgert werden, dass ein mit CAD/CAM- Fräsprozessen kombiniertes Sinterverfahren, wie es für Ceramill Sintron Anwendung findet, in Bezug auf die Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse klare Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Gussprozess aufweist. Der Verarbeitungsprozess ist im Schaubild (siehe rechts) dargestellt. Abb. 3 Sowohl im Front- wie auch im Seitenzahnbereich sind Brückengerüste mit maximal zwei zusammenhängenden Zwischengliedern zugelassen 4 dental dialogue 13. JAHRGANG 08/2012

5 D I G I TA L E Z A H N T E C H N I K S P E C I A L dd Ceramill Sintron Workflow Scannen CAD Indikationen Ceramill Sintron ist für folgende Versorgungsformen indiziert: anatomisch reduzierte Kronen- und Brückengerüste im Front- und Seitenzahnbereich (Abb. 2) vollanatomischer Kronen- und Brückenersatz im Seitenzahnbereich, sowie anatomisch teilreduzierte Frontzahnrestaurationen Brückengerüste mit maximal zwei zusammenhängenden Zwischengliedern in der Front und maximal zwei zusammenhängenden Zwischengliedern im Seitenzahnbereich (Abb. 3) und einer maximalen anatomischen Länge von 50 mm Freiendbrücken mit maximal einem Brückenglied (ein Freiendglied bis maximal zum zweiten Prämolar) Primärteleskopkronen Fazit Die trocken fräsbaren CoCr-Rohlinge Ceramill Sintron von Amann Girrbach schließen die Lücke, die bis dato zwischen der konsequenten (Aus-)Nutzung der CAD/CAM-Technik und der zentralen Fertigung von CoCr-Einheiten prangte. Das Material und das dazugehörige Verfahren gewährleisten dem Anwender ein breites Indikationsspektrum und Legierungseigenschaften, die den Anforderungen an eine Legierung des Typs 4 (DIN EN ISO 22674) gerecht werden. Zudem können die gegebenen Vorteile der CAD/CAM-Fertigung genutzt werden, wobei nun auch die Wertschöpfung bei CoCr- Versorgungen im eigenen Labor verbleibt. CAM Produktliste Produkt CAD/CAM-Software CoCr-Rohlinge Fertigungseinheit Hochtemperatur- Sinterofen Sinterzubehör Name Ceramill Mind & Match Software Ceramill Sintron Blanks Ceramill Motion und/ oder Ceramill Motion 2 Ceramill Argotherm Ceramill Argovent Sinterbox Hersteller/Vertrieb Amann Girrbach Amann Girrbach Amann Girrbach Amann Girrbach Amann Girrbach Sintern Zur Person Weiterverarbeitung Nach rund acht Jahren Tätigkeit in der Zahntechnik (Dentallabor Glaser; Boblitz/Brandenburg), während denen er speziell im Bereich Kombitechnik und Implantatprothetik arbeitete, entschied sich Falko Noack für ein Studium an der Fachhochschule Osnabrück. Dort erwarb er nach vier Jahren den Titel Dipl.-Ing. der Dentaltechnologie. Während seiner Studienzeit arbeitete er an der Fachhochschule an verschiedenen Projekten auf dem Gebiet der Metallografie sowie der Werkstoffprüfung dentaler Werkstoffe. Thema seiner Diplomarbeit war die Erarbeitung der Prozesskette für eine Zirkonoxid-Weißlings fertigung. Danach setzte er sein Praxis- und Technologiewissen in der Forschung und Entwicklung bei Amann Girrbach, speziell im Bereich Zirkonoxidherstellung und Anwendungstechnik ein. Mittlerweile ist Falko Noack Leiter der Abteilung Research und Development bei Amann Girrbach. Kontaktadresse Dipl.- Ing. (FH) Falko Noack Amann Girrbach AG Herrschaftswiesen Koblach/Österreich falko.noack@amanngirrbach.com JAHRGANG 08/2012 dental dialogue 5

6 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK Neue Technik, um Chrom-Kobalt-Molybdän trocken im Labor zu fräsen Schnell gefräst, sicher verblendet Ein Beitrag von Dipl.-Ing. Bogna Stawarczyk, MSc, Marlis Eichberger, Josef Schweiger, PD Dr. Florian Beuer, alle München/Deutschland, Dipl.-Ing. Falko Noack und MSc Rita Hoffmann, beide Dornbirn/Österreich Denkt man an dentale Chrom-Kobalt-Molybdän-Legierungen, so wird einem entweder ganz heiß, oder kalt. Heiß, weil man an die archaisch anmutende gusstechnische Verarbeitung mit allen ihren Tücken denken muss, und kalt, weil man für alternative Verarbeitungstechniken die Gerüstherstellung außer Haus geben muss. Natürlich könnte man die gewünschten Strukturen auch frästechnisch generieren, doch leider sind die meisten Labside-CAD/CAM-Systeme dazu nicht in der Lage. Mit einem neuen Chrom-Kobalt-Molybdän- Fräsrohling, der im Grünlingszustand trocken gefräst werden kann, könnte sich dies ändern. Ein guter Grund, diesen Werkstoff näher unter die Lupe zu nehmen. Die rasante Entwicklung der computergestützt gefertigten Restaurationen revolutioniert seit einigen Jahren die Zahnarztpraxis und das zahntechnische Labor. Mit der Computer Aided Design (CAD)/Computer Aided Manufacturing (CAM)-Technologie werden heute zwar hauptsächlich zahnfarbene Materialien in Zusammenhang gebracht, allerdings können damit nicht nur Keramiken und Hochleistungspolymere, sondern auch Legierungen verarbeitet werden. In der Vergangenheit wurden vor allem Chrom-Kobalt-Molybdän-Pulverlegierungen in Fertigungszentren additiv im Laserschmelzverfahren oder auf massiven, kostenintensiven Fräsmaschinen aus endfestem Material subtraktiv verarbeitet. Nur wenige CAD/CAM-Systeme für das klassische Dentallabor waren oder sind auf die Bearbeitung dieser Materialien ausgelegt und mit hohen Anschaffungs- und Unterhaltskosten verbunden. Neuer Verarbeitungsansatz Ein neues Chrom-Kobalt-Material (Ceramill Sintron, Amann Girrbach) verbunden mit einer neuen Verarbeitungsstrategie ermöglicht es nun, diese Legierung im vorgesinterten Zustand, schnell und wirtschaftlich subtraktiv zu bearbeiten. Vergleichbar zur weitestgehend etablierten Verarbeitungsstrategie dentaler Zirkonoxide, liegen auch hier die Rohlinge in einer materialtechnischen Vorstufe vor. Bei dem genannten Zirkonoxid sind das die so genannten Weißlinge, während die neuen CoCr- Rohlinge im Grünlingszustand ausgeliefert werden. Von Grünlingen spricht man, wenn der Rohling noch nicht entbindert wurde (im Vergleich zum Weißling). Das heißt, die Pulverpartikel werden während der Weiterverarbeitung über einen organischen Binder zusammen gehalten. Erst nach der subtraktiven Bearbeitung des Grünlings wird das Werkstück in einem speziellen Hochtemperatur-Sinterofen unter einer Argon-Schutzgasatmosphäre bei zirka 1300 C gesintert. Während des Sinterprozesses verbrennen die organischen Binder und die metallischen Pulverpartikel sintern aneinander, ohne dass eine schmelzflüssige Phase erzeugt wird. Dadurch schrumpft die Rekonstruktion auf die zuvor berechnete Endgröße (Volumenschrumpfung von etwa 11 %). Ein Vorteil dieser Technologie ist der, dass aufgrund des Sinterprozesses unter Schutzgas, das Werkstück keine, beziehungsweise nur eine minimale Oxidationsschicht aufweist. Die Nachbearbeitung nach dem Sintern wird so auf ein Minimum reduziert (Abb. 1 und 2). Mechanische Eigenschaften Nach dem Sintern erreicht die Legierung mechanische Eigenschaften, die mit vergossenen, lasergeschmolzenen oder subtraktiv bearbeiteten Chrom-Kobalt-Legierungen vergleichbar sind. Die mechanischen Eigenschaften, der auf den unterschiedlichen Wegen verarbeiteten Legierungen, sind in der Tabelle 1 dargestellt. Die Zugfestigkeit (Rm) markiert hier den höchsten Spannungswert, der im Verlauf der Messung erreicht wird. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm entspricht sie dem letzten gemessenen Punkt, bevor die Probe zerreißt. Allerdings ist diese Messgröße für zahnärztliche Werkstoffe nicht von großer Relevanz, da eine plastische Verformung im Mund des Patienten nicht erwünscht ist. Der für uns entscheidende Parameter ist die Dehngrenze (Rp 0,2 %). Die Dehngrenze gibt die Spannung an, die vom Material noch toleriert wird, ohne dass es sich plastisch verformt. Da es sehr schwierig ist, den Übergang zwischen dem elastischen und plastischen Bereich exakt zu ermitteln, wurde stattdessen ein Punkt definiert, bei dem bereits eine bleibende Längenänderung von 0,2 % der Ausganglänge erfolgt ist (0,2 % Dehngrenze). Die Bruchdehnung beschreibt die relative Längenänderung, bei der ein 6 dental dialogue 13. JAHRGANG 09/2012

7 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE dd 1 2 Abb. 1 und 2 Mit der neuen Verarbeitungstechnologie lassen sich aus Ceramill Sintron im Grünlingszustand wie gewohnt Kronen- und Brückenstrukturen fräsen. Ihre gewohnten Materialeigenschaften erhalten diese in einem nachgeschalteten Sinterprozess unter Schutzgas Prüfkörper im Zugversuch reißt. Die Härte beschreibt wiederum den Widerstand, den ein fester Körper dem Eindringen eines anderen, härteren Körpers entgegensetzt, und der Elastizitätsmodul, kurz E-Modul, ist ein Maß für die Steifigkeit eines Werkstoffes. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die chemische Zusammensetzung, das Aussehen, die mechanischen und biologischen sowie die Verarbeitungseigenschaften von Ceramill Sintron im gesinterten Zustand praktisch mit denen der bereits seit vielen Jahren klinisch bewährten CoCrMo-Gusslegierungen vergleichbar sind. Zur Analyse der Gefüge wurde jeweils eine dreigliedrige Brücke in einer der drei CoCrMo-Verarbeitungstechniken von Amann Girrbach (Gießen, Lasersintern, Fräsen + Sintern) produziert und anschließend metallographisch präpariert. Die Querschliffe in der Abbildung 3 a ist einer davon und der jeweils untersuchte Bereich dargestellt wurden zur Visualisierung des Gefüges chemisch geätzt. In den Abbildungen 3b bis g sind die jeweiligen Gefüge im Vergleich und in zwei Vergrößerungen dargestellt. Hierbei fallen bei dem neuen CoCr-Material vor allem die wesentlich kleineren und homogener verteilten Körner auf. Speziell gegenüber der Gusslegierung ist dieser Größenunterschied sehr eindrucksvoll. Bedenkt man weiterhin, dass generell kleinere Körner zu erhöhter Korrosionsstabilität und mechanischen Festigkeit führen, lassen sich eventuell sogar klinische Vorteile mit dem neuen Ansatz der Verarbeitung von CoCr-Legierungen erwarten. Mechanische Eigenschaften dentaler CoCrMo-Legierungen sowie deren Zusammensetzung Girobond NB Ceramill NP L Ceramill Sintron Zugfestigkeit (Rm) 850 MPa 800 MPa 830 MPa 0,2% Dehngrenze (Rp0,2) 620 MPa 600 MPa 450 MPa E-Modul (E) 210 GPa 170 GPa 200 GPa Bruchdehnung 10 % 10 % 20 % Vickershärte (HV 10) Wärmeausdehnungskoeffizient ( C) 14,6 * 10-6 /K * 10-6 /K 14,5 * 10-6 /K Spez. Gewicht 8,5 g/cm 3 8,5 g/cm 3 8,0 g/cm 3 Chemische Zusammensetzung 62 % Co, 25 % Cr, 5 % Mo, 5 % W, 1 % Si, <0.1 % Ce % Co, % Cr, 5-6 % Mo, 5-6 % W, <1 % Si, <0.1 % Mn, <0.5 % Fe 66 % Co, 28 % Cr, 5 % Mo, <1 % Mn, <1 % Si, <0.5 % Fe 13. JAHRGANG 09/2012 dental dialogue 7

8 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK Gefügeanalysen dreigliedriger CoCrMo-Brückengerüste 3a Abb. 3a Um die Gefüge der drei CoCrMo-Verarbeitungstechniken (Gießen, Lasersintern, Fräsen + Sintern) metallo - graphisch untersuchen zu können wurden hiervon Querschnitte und Schliffproben hergestellt und jeweils der im roten Kästchen dargestellte Bereich untersucht 3b 3d 3f Abb. 3b Ceramill Sintron (4x) Abb. 3d Girobond NB (4x) Abb. 3f Ceramill NPL (4x) 3c 3e 3g Abb. 3c Ceramill Sintron (200x) Abb. 3e Girobond NB (200x) Abb. 3g Ceramill NPL (200x) Weitere Untersuchungen, die diese These stützen, werden in Kürze veröffentlicht. Bei der Gefügeanalyse ist bei 200facher Vergrößerung eine, für freie Sinterprozesse typische, homogene und vollständig isolierte (abgeschlossene) Mikroporosität erkennbar. Diese ist jedoch nicht mit denen aus der Gusstechnik bekannten Poren und Gussfehlern gleichzusetzen. Weiterverarbeitung Nach der Fertigstellung der Ceramill Sintron Gerüste können diese analog zu den bisher verwendeten Gerüsten aus CoCrMo-Gusslegierungen verblendet werden. Grundsätzlich sind hierfür alle Verblendkeramiken verwendbar, die aufgrund ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten für Nichtedelmetalllegierungen geeignet sind. Eine entscheidende Rolle für die Gesamtfestigkeit der Rekonstruktion spielt die Verbundfestigkeit zwischen dem Gerüst und der Verblendkeramik. So wird die Lebensdauer einer Rekonstruktion, neben den mechanischen Eigenschaften des Gerüst- und Verblendmaterials, unter anderem von einer guten Anpassung der thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) beider Verbundpartner sowie einer guten Haftung der Verblendmasse auf dem Gerüstmaterial bestimmt. Verbundfestigkeit Damit die praktische Relevanz der neuen CoCrMo-Legierung und dessen Verarbeitungstechnik besser eingeordnet und bewertet werden kann, wurden die Verbundfestigkeiten von CoCrMo-Legierungen zu drei verschiedenen Verblendkeramiken geprüft. Ziel war es, zu testen, ob die Verbundfestigkeiten zu Ceramill Sintron vergleichbar mit den Verbundfestigkeiten einer gegossenen sowie einer lasergesinterten Legierung sind. Die WAK-Werte der drei getesteten CoCrMo-Legierungen lagen zwischen 14,0-14,6 * 10-6 /K. Allerdings haben nicht die Wärmeausdehnungseigenschaften allein einen Einfluss auf die Verbund- 8 dental dialogue 13. JAHRGANG 09/2012

9 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE SPECIAL dd Abb. 4a Herstellung der Schwickerath- Prüfkörper nach EN ISO 9693:2000 Abb. 4b Um auf den Prüfkörpern eine standardisierte Verbundfläche zu erzeugen, wurde eine spezielle Vorrichtung verwendet 4a 4b festigkeit, sondern auch der mechanische und der chemische Verbund. Der mechanische Verbund wird hier durch Sandstrahlen erreicht. Daher wurden in dieser Untersuchung alle Prüfkörper sandgestrahlt. Der chemische Verbund entsteht durch die Zusammensetzung der Legierung. Dabei bilden die unedlen Bestandteile in Verbindung mit Sauerstoff eine Oxidschicht, die direkt an die Verblendkeramik bindet. Um Ergebnisse zu erzielen, die mit bereits existierenden Daten verglichen werden können, wurden die Verbundfestigkeitsmessungen nach der EN ISO 9693:2000 Norm durchgeführt. Drei verschiedene Verblendkeramiken mit adäquaten WAK-Werten wurden in dieser Untersuchung verwendet: Vita VM13 (Vita Zahnfabrik), Willi Geller Creation (Creation Willi Geller International) und Reflex (Wieland Dental + Technik). Als Gerüstmaterialien kamen neben Ceramill Sintron, die Lasersinterlegierung Ceramill NP L (Amann Girrbach) sowie die Gusslegierung Girobond NB (Amann Girrbach) zum Einsatz. Von jedem Legierungstyp wurden jeweils 45 Basen hergestellt (Abb. 4a) und diese anschließend mit Korund (Al 2 O 3 ), einer Körnung von 110 μm und einem Druck von 3 bar abgestrahlt. Dann wurden nach dem Zufallsprinzip drei Gruppen zu 15 Prüfkörper pro Verblendkeramik gebildet und diese den jeweiligen Herstellerangaben entsprechend verblendet. Um eine standardisierte Verbundfläche zu erzeugen wurde eine spezielle Vorrichtung zur Herstellung der Prüfkörper verwendet (Abb. 4b). Nach dem Opakerbrand (Abb. 4c) wurden noch zwei Dentinbrände sowie ein Glanzbrand durchgeführt (Abb. 4d bis f ). Abb. 4c bis f Nach dem Opakerbrand wurden zwei Dentinbrände durchgeführt 4c 4d 4e 4f 13. JAHRGANG 08/ /2012 dental dialogue 9

10 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK 5 Abb. 5 In diesem Bild ist der Aufbau des Schwickerath-Tests exemplarisch dargestellt. Geprüft wird hier die Verbund - festigkeit zwischen Legierung und Verblendkeramik Im Anschlus an das Verblenden wurden die Prüfkörper künstlich gealtert, da die in der Mundhöhle auftretenden Temperaturschwankungen simuliert werden sollten. Hierzu wurden die Prüfkörper 5000 Thermolastwechseln zwischen 5 beziehungsweise 55 C unterzogen. Diese Temperaturschwankungen können den Verbund zwischen zwei Materialien belasten, da sich diese aufgrund verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich ausdehnen. Anschließend wurden die Prüfkörper im Schwickerath-Test auf die Verbundfestigkeit getestet (Abb. 5). Die errechneten Verbundfestigkeitswerte sind in der Abbildung 6 dargestellt. Bei den Verbundfestigkeitswerten zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zwischen den verschiedenen CoCrMo- Legierungen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Ceramill Sintron den gleichen guten Verbund zu Verblendkeramiken aufweist, wie eine gegossene beziehungsweise im Lasersinterverfahren verarbeitete Legierung. Vergleich der Verarbeitungs möglichkeiten Vergleicht man die unterschiedlichen Verarbeitungsmöglichkeiten von CoCrMo- Legierungen miteinander, so birgt die subtraktive Bearbeitung eines Grünlings mit anschließender Sinterung (Ceramill Sintron) deutlich weniger Fehlerquellen als das konventionelle Gussverfahren. Von Vorteil ist nicht nur die Gefügehomogenität des industriell angefertigten Rohlings, sondern vor allem seine Zusammensetzung, die weder während des Fräsprozesses noch beim anschließenden Sinterprozess verändert wird. Beim Vergießen von Legierungen können dagegen potentielle Anwenderfehler die Qualität des Materials beeinflussen. Des Weiteren kann es beim Gussprozess aufgrund von Konzentrationsgradienten in der Schmelze zu Entmischungserscheinungen kommen. Dabei ordnen sich während des Erstarrungsprozesses der Schmelze nicht alle Legierungskomponenten gleichmäßig und homogen im Gefüge an. Bestimmte Bereiche des Gefüges verarmen an Legierungsbestandteilen zu Gunsten der Anreicherung von Legierungskomponenten in anderen Bereichen. Zudem kann es aufgrund zu hoher Schmelztemperaturen zur Reduzierung der niedrig schmelzenden Legierungsbestandteile und damit zur Veränderung der Zusammensetzung kommen. Bei inhomogen erstarrten Legierungen können im Gefüge Konzentrationsunter- Abb. 6 Verbundfestigkeiten (MPa) zwischen den verschiedenen CoCrMo- Legierungen und den Verblend - keramiken 10 dental dialogue 13. JAHRGANG 09/2012

11 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE SPECIAL dd schiede entstehen, die im Sinne eines galvanischen Elementes zu lokal begrenzten Korrosionsprozessen führen können. Da die Ceramill Sintron Rohlinge industriell hergestellt werden, sind die Verarbeitungsfehler der Legierung sehr minimal. Zudem werden bei der computerunterstützten subtraktiven Verarbeitung des Grünlings weitere mögliche Fehlerquellen umgangen. Entmischungserscheinungen sind während des Sinterprozesses nicht oder nur in äußerst geringem Ausmaß möglich, da es sich bei der Sinterung um einen diffusionsgesteuerten Materialtransport ohne Bildung einer flüssigen Phase handelt. Man Zu den Personen Die Vitae der Autoren finden Sie unter dd9_12_stawarczyk.pdf oder direkt mithilfe des nebenstehenden QR-Codes. Kontaktadressen spricht in diesem Zusammenhang auch vom so genannten Festphasensintern (vergleiche Sinterprozess von Zirkonoxid). Weiterhin sind Verunreinigungen der Legierung, beispielsweise durch Rückstände der Einbettmasse beziehungsweise des Prototypenmaterials, prozessbedingt ausgeschlossen. Da die Sinterung unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, ist die Oberflächenoxidation des Sintergutes auf ein Minimum reduziert. Bisher waren die positiven Effekte der computergestützten Verarbeitung von CoCrMo-Legierungen den großen Fertigungszentren vorbehalten. Der in diesem Artikel beschriebene Ansatz, einen Grünling subtraktiv zu be- Dipl. Ing. (FH) Bogna Stawarczyk, MSc, Marlies Eichberger, Josef Schweiger und Priv.-Doz. Dr. Florian Beuer Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der Ludwig Maximilians-Universität Goethestraße München Dipl.- Ing. (FH) Falko Noack und MSc Rita Hoffmann Amann Girrbach AG Herrschaftswiesen Koblach/Österreich arbeiten und ihn anschließend zu sintern, ist auch auf kleineren CAD/CAM- Maschinen direkt im zahntechnischen Labor möglich. Im Vergleich dazu werden additiv durch Lasertechnik hergestellte Gerüste ebenfalls in Laserzentren extern hergestellt. Durch die neue Technologie bleibt der Fertigungsprozess und somit die Wertschöpfung im zahntechnischen Labor. Fazit Die Möglichkeit, die CoCrMo-Legierung Ceramill Sintron CAD/CAM-gestützt im zahntechnischen Labor zu verarbeiten sowie deren mechanische Eigenschaften machen diese Verarbeitungstechnik sehr interessant. Da zudem nachgewiesen werden konnte, dass die zahntechnische Verblendung des Materials in gewohnter Art und Weise erfolgen kann, werden vom Anwender keine Kompromisse gefordert. Die hierbei erzielten Ergebnisse für die Verbundfestigkeit von Gerüstmaterial und Verblendkeramik sind ebenbürtig mit denen der bereits bekannten und angewandten Herstellungsverfahren für Verblendgerüste in diesem Beitrag bezogen auf die Gusstechnik und das Selectiv Laser Melting. 13. JAHRGANG 09/2012 dental dialogue 11 Die NEM-Revolution in CAD/CAM. 13. JAHRGANG 08/2012 dental dialogue 11 Amann Girrbach AG Fon Fon International:

12 CoCr-Sintermetall zur CAD/CAM Trockenbearbeitung Ceramill Sintron ermöglicht erstmalig die CNC-basierte* Trocken-Fräsung von Nichtedelmetall Restaurationen mit Desktop-Fräsgeräten im eigenen Labor. Bislang war es aufgrund der Materialhärte nicht möglich CoCr-Restaurationen auf kleinen Fräsmaschinen im Labor zu fertigen. Durch die wachsartige Beschaffenheit der Ceramill Sintron Rohlinge lässt sich das Material mühelos in der Ceramill Motion 1 sowie der Ceramill Motion 2 trocken fräsen. Während des anschließenden Sinterprozesses unter Schutzgasflutung erreichen die Gerüste ihren Endzustand eine NEM-Einheit mit sehr homogenem Materialgefüge. 10 mm 12 mm 14 mm 16 mm 18 mm 20 mm Ceramill Sintron 71 _ 6 Rohlingshöhen (XXS = 10 mm bis L=20 mm) _ Vergrößerungsfaktor bei ca. 11 % _ Entwickelt speziell zur Verarbeitung im Ceramill-System _ 25 bis 30 Einheiten können aus einem Ceramill Sintron Rohling gefräst werden Indikationen: _ Anatomisch reduzierte und vollanatomische Kronen- und Brückengerüste im Front- und Seitenzahnbereich _ Brückengerüste mit maximal zwei zusammenhängenden Zwischengliedern in der Front und im Seitenzahnbereich und einer maximalen anatomischen Länge von 50 mm _ Freiendbrücken mit maximal einem Brückenglied (maximal ein Freiendglied bis maximal zum zweiten Prämolar). Kontraindikationen: _ Bekannte Unverträglichkeiten gegenüber den Bestandteilen Ceramill Sintron - jetzt online erleben! Amann Girrbach AG Fon Fon International:

13 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK Vergleich der mechanischen Eigenschaften einer CoCr-Sinter- mit einer CoCr-Gusslegierung So gut wie gegossen Ein Beitrag von Prof. Dr. Jürgen Geis-Gerstorfer, Tübingen/Deutschland, Dipl.-Ing. Falko Noack und Dipl.-Ing. Axel Reichert, beide Koblach/Österreich, und Christine Schille (PhytA), Tübingen/Deutschland Amann Girrbach bringt mit Ceramill Sintron ein trocken spanbares CoCr-Material für die CNC-technische Verarbeitung auf den Markt. Möglich wird dies, weil das Material ähnlich den dentalen Weißlings-Zirkonoxiden in einer Materialvorstufe vorliegt, die sich einfach bearbeiten lässt. Nach dem Herausfräsen der gewünschten Strukturen werden diese in einem nachgeschalteten Prozess entbindert und dichtgesintert. Der vorliegende Artikel soll klären, ob die mechanischen Endeigenschaften von Ceramil Sintron mit denen der etablierten CoCrMo-Gusslegierungen gleichzusetzen sind. Einleitung In Zeiten in denen vollkeramischer Zahnersatz sprichwörtlich in aller Munde ist, zeigt sich, dass auch jahrelang bewährte Werkstoffe nach wie vor ihren hohen Stellenwert als zahnmedizinische Ersatzmaterialien haben. Speziell edelmetallfreie Legierungen (EMF) stellen eine der bevorzugten Materialklassen dar, wenn es um die Herstellung von Zahnersatz mit guten Langzeitprognosen geht. Als kostendämpfende Alternative zu Edelmetalllegierungen hat sich diese Legierungsklasse unter anderem aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften, Biokompatibilität und keramischen Verblendbarkeit seit Jahrzehnten im Dentalmarkt etabliert. Speziell CoCr-Legierungen werden vielseitig für die Herstellung von Zahnersatz genutzt, vor allem dann, wenn hohe Anforderungen an die Festigkeit der Konstruktion gestellt werden. und blieben daher meist nur Fertigungszentren vorbehalten, die sich auf die industrielle Herstellung von CoCr-Restaurationen spezialisiert haben. Nun können mithilfe eines neuen CoCr-Sintermetallrohlings, der als Grünling in einer materialtechnischen Vorstufe vorliegt, aufgrund der guten Bearbeitungseigenschaften CoCr-Restaurationen CAD/CAM-gestützt auch in zahntechnischen Labors hergestellt werden, die nicht über Fertigungsmaschinen im Industriestandard verfügen [1]. Der Konsistenz des pulvermetallurgisch hergestellten Grünlings ist es zu verdanken, dass er ohne zusätzliche Wasserkühlung im Trockenfräsverfahren auf Fräsmaschinen spanbar ist. Diese einfache Verarbeitbarkeit ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Rohling aus einer pulververdüsten CoCrMo-Legierung besteht, wobei der Zusammenhalt der Pulverpartikel über einen organischen Binder garantiert wird. Nach der frästechnischen Bearbeitung (CNC-gesteuert), wird die erzeugte Struktur in einem speziellen Sinterofen entbindert und unter Schutzgasatmosphäre dicht gesintert. Nach Abschluss des Sinterprozesses, der mit einem Volumenschrumpf von etwa 10 % einhergeht, erreicht das Material seine mechanischen Endeigenschaften. In den nachstehend beschriebenen Untersuchungen soll die Frage beantwortet werden, ob die mechanischen Endeigenschaften des CoCr-Sintermetalls mit denen der über viele Jahre im Dentalmarkt etablierten CoCrMo- Gusslegierungen gleichzusetzen sind. Beschreibung Die vorliegende werkstoffkundliche Studie hat zum Ziel, die mechanischen Eigenschaften von konventionell hergestelltem, dentalen Feinguss (Girobond NB) Literatur QR-CODE: Die Literaturliste erhalten Sie mithilfe des oben stehenden QR-Codes (Funk - tionshinweis siehe Inhalt) oder un ter in der linken Naviga tions - leiste unter Literaturverzeichnis Die Verarbeitung von EMF-Legierungen war im Dentallabor bislang meist nur über die manuelle Gießtechnik möglich. Die CAD/CAM-seitige Herstellung von CoCr-Strukturen erfolgte bisher mittels Selective Lasermelting (SLM) oder Fräsen aus Rohlingen, die bereits die Endeigenschaften des Materials aufweisen. Diese beiden letztgenannten Verarbeitungsmöglichkeiten waren jedoch mit enormen Anschaffungskosten für die jeweiligen Produktionsanlagen verbunden Abb. 1 Festsitzender Zahnersatz, gefertigt aus dem CoCr-Sintermetall Ceramill Sintron 14 dental dialogue 13. JAHRGANG 10/2012

14 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE dd Abb. 2 Anhand dieses Datensatzes wurden die Probekörper für den Zugversuch aus Wachs und Ceramill Sintron gefräst Abb. 3 Zugprobekörper im Wachsrohling. Diese werden nach dem Heraustrennen angestiftet, eingebettet und in Girobond NB gegossen Abb. 4 Die aus dem Sintermetall Ceramill Sintron gefrästen Körper für die Zugproben im Grünlingszustand Abb. 5 In dem speziellen Ofen Ceramill Argotherm wird das Sintermetall entbindert und dichtgesintert den Eigenschaften der gefrästen und dichtgesinterten Sintermetalllegierung (Ceramill Sintron) gegenüberzustellen. Beide EMF-Legierungen werden von Amann Girrbach hergestellt und vertrieben. Zudem werden in diesem Artikel die beiden Herstellungsprozesse der notwendigen Prüfkörper und die Auswertung der Ergebnisse vergleichend dargestellt. Beide Legierungen dienen der Herstellung von vollanatomischen beziehungsweise anatomisch reduzierten Kronenund Brückenkonstruktionen (Abb. 1). Da eine Vielzahl an EMF-Gusslegierungen seit langem für die Kronen- und Brückentechnik verwendet werden, gilt es nachzuweisen, ob die mechanischen Eigenschaften einer Sinterlegierung den Anforderungen zur Herstellung von festsitzendem oder herausnehmbarem Zahnersatz in Bezug auf die Festigkeit gemäß DIN EN ISO [2] gerecht wird. Material und Methode Um alle relevanten mechanischen Eigenschaften der beiden Legierungen erfassen zu können, wurden genormte Prüfkörper zur Durchführung einer Zugprüfung gemäß DIN EN ISO hergestellt. Konkret wurden je Legierung und Bearbeitungsverfahren sechs Zugproben hergestellt und geprüft. Die CAD/CAM-gestützte Herstellung der Prüfkörper wurde durch entsprechende Datensätze für die frästechnische Fertigung unterstützt (Abb. 2). Die Prototypen der Zugproben für die Gusslegierung Girobond NB wurden auf Basis desselben CAD/CAM-Datensatzes aus Wachsrohlingen (Ceramill Wax, Amann Girrbach) gefräst (Abb. 3). Die Ceramill Sintron Prüfkörper wurden aus einem entsprechenden Sintermetallrohling unter Berücksichtigung des Vergrößerungsfaktors gefräst (Abb. 4). Da zahntechnische Konstruktionen aus beiden Materialien auf gleiche Art und Weise hergestellt werden können, wird durch diese Art der Probenfertigung ein eventuell vorhandener frästechnischer Einfluss auf die Probenqualität gleichzeitig mitberücksichtigt. Alle Probekörper wurden nach dem Fräsvorgang aus den CAD/CAM-Rohlingen herausgetrennt und stirnseitig plan geschliffen. Die Zugproben aus Ceramill Sintron wurden anschließend in dem dafür konzipierten Sinterofen Ceramill Argotherm (Abb. 5) unter Schutzgasatmosphäre (Argon) dicht gesintert. Während des Sintervorgangs wurden die Prüfkörper in der Argovent Sinterschale durch das Perlenbett abgestützt (Abb. 6) und nach Programmende im dicht gesinterten Endzustand entnommen. Die Prüfkörper aus Fräswachs wurden nach dem Heraustrennen mit Gusskanälen aus entsprechendem Wachsdraht versehen, in einer Muffel platziert (Abb. 7) und den Herstellerangaben entsprechend mit der Universaleinbettmasse Giroinvest Super (Amann Girrbach) eingebettet. Das Vergießen der Legierung Girobond NB erfolgte ebenfalls nach Herstellerangaben unter Verwendung der Vakuum- Druckguss Anlage Heracast IQ (Heraeus Kulzer). Nach dem Guss wurden die Proben ausgebettet, der Gusskanal abgetrennt (Abb. 8) und die Anstiftstellen hiernach verschliffen. Nach DIN EN ISO müssen aufbrennfähige Legierungen nicht nur hinsichtlich ihrer initialen Festigkeitswerte untersucht, sondern zusätzliche Proben vor der Prüfung auch einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Die Wärmebehandlung entspricht dabei den Abfolgen von keramischen Bränden wie sie für die Verarbeitung der entsprechenden Verblendkeramik vom Hersteller vorgegeben werden. In der vorliegenden Studie wurde die Brandführung nach den Werten für die Verblendkeramik Creation CC (Creation 13. JAHRGANG 10/2012 dental dialogue 15

15 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK Abb. 6 Zum Sintern werden die Ceramill Sintron Zugproben auf einem Sinterbett gelagert Abb. 7 Die gefrästen Zugproben aus Wachs wurden angestiftet und in Muffeln für die Einbettung platziert Abb. 8 Nach dem Abkühlen werden die Gussobjekte ausgebettet und die Gusskanäle von den Proben abgetrennt 9 10 Abb. 9 und 10 Ceramill Sintron Zugproben vor und nach der Wärmebehandlung Willi Geller) verwendet. Mit der in der Festigkeitsprüfung geforderten Wärmebehandlung sollen Eigenschaftsänderungen erfasst werden, die durch die Keramikbrände verursacht werden können. Die nicht wärmebehandelten Proben wurden nach dem Guss beziehungsweise der Sinterung mit Aluminiumoxid der Körnung 110 μm abgestrahlt und mit dem Dampfstrahlgerät gereinigt. Die wärmebehandelten Proben wurden drei keramischen Brandfolgen mit je sechs Brennzyklen unterzogen (Abb. 9 und 10). Die Temperaturführung des jeweiligen Brennzyklus ist in der Tabelle 1 dargestellt. Die wärmebehandelten Proben wurden ebenfalls sandgestrahlt und gereinigt. Die sechs Prüfkörper der Gussund Sinterlegierung wurden jeweils identisch wärmebehandelt. Die Norm DIN EN ISO fordert lediglich eine Brandfolge mit Oxidbrand und vier keramische Brennzyklen. In der hier beschriebenen Untersuchung wurden aufgrund der Verdreifachung der keramischen Brennzyklen somit die Rahmenbedingungen verschärft. Durch dieses Vorgehen sollte der vollständigen Neuanfertigung der keramischen Verblendung, die in der Praxis teilweise notwendig wird, Rechnung getragen werden. Festigkeitsprüfung Die Zugversuche wurden nach DIN EN ISO durchgeführt. Die Zugstäbe wurden hierzu in die Halterung einer Universalprüfmaschine (Zwick) eingespannt und bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 mm/min bis zum Bruch auseinander gezogen (Abb. 11). Härteprüfung Im Rahmen der Untersuchung wurde weiterhin die Härte ermittelt, ein für die Bearbeitung und Polierbarkeit des Materials (im Endzustand) wichtiger Wert. Tab. 1 Brenntabelle der keramischen Brände, mit denen ein Teil der Proben wärmebehandelt wurden Brand Start tem peratur Verschlusszeit Temperaturanstieg Vakuum Endtem peratur Haltezeit Oxidbrand 550 C 80 C/min 1000 C 1 min 1. Opaker 550 C 6 min 80 C/min C 1 min 2. Opaker 550 C 6 min 80 C/min C 1 min 1. Dentin 580 C 6 min 55 C/min C 1 min 2. Dentin 580 C 4 min 55 C/min C 1 min Glanzbrand 600 C 2 min 55 C/min 930 C 16 dental dialogue 13. JAHRGANG 10/2012

16 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE SPECIAL dd Abb. 11 Einer der Probekörper nach dem Zugversuch. Dabei wurde die Probe mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 mm/min bis zum Bruch auseinander gezogen Abb. 12 Härteprüfung nach Vickers am eingebetteten Zugprobenkopf (Härteprüfgerät, Frank) 13 Abb. 13 Gegenüberstellung der Vickers- Härte HV10 von Girobond NB und Ceramill Sintron. In der Literatur liegen die Vickershärten von CoCrMo-Legierungen zwischen 260 und 380 HV10 Die Bestimmung der Härte nach Vickers wurde sowohl an der Guss- als auch an der Sinterlegierung nach DIN EN ISO durchgeführt [3] und vergleichend gegenübergestellt. Die Prüfung wurde jeweils an den metallurgisch präparierten Zugstabköpfen durchgeführt (Abb. 12). Ergebnisse Die Ergebnisse bauen auf zwei räumlich voneinander getrennt durchgeführten Versuchsreihen auf. Zum einen auf denen von Amann Girrbach, die im Rahmen der Chargenprüfung erhoben wurden, und zum anderen auf denen der Prüfung der Festigkeit mit und ohne Wärmebehandlung. Letztere wurden am Universitätsklinikum Tübingen in der Abteilung für Medizinische Werkstoffkunde und Technologie am Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde durchgeführt. Härte Die Härte von Ceramill Sintron liegt mit 280 HV10 etwa 50 HV10 unter der Härte der zum Vergleich herangezogenen Gusslegierung Girobond NB (Abb. 13). Dieses Ergebnis ist als vorteilig für das Sintermaterial zu bewerten, da eine zu hohe Härte die Ausarbeit- und Polierbarkeit für den Zahntechniker erschweren. Laut Literatur bewegen sich die Vickershärten von CoCrMo-Legierungen in einem Wertebereich von 260 bis 380 HV10 [4]. Der Wert für Ceramill Sintron liegt somit an der Untergrenze der genannten Legierungsklasse. Eine verbesserte Polierbarkeit, wie sie dem Material bescheinigt werden kann, wirkt sich sowohl bei der Nacharbeit im zahntechnischen Labor als auch beim Zahnarzt positiv auf die zu erreichende Oberflächengüte der zahntechnischen Restauration aus. Eine hohe Oberflächengüte mit geringen Rauheitstiefen wirkt einer erhöhten Abrasion am Antagonisten entgegen. Somit ist sie der beste Schutz gegen unphysiologische Abnutzung der natürlichen Zähne, die in direktem Kontakt mit der zahntechnischen Restauration stehen. Festigkeit Von allen Zugfestigkeitsmessungen wurden Spannungs-Dehnungsdiagramme erstellt. Beispielhaft sind in diesem Beitrag die Diagramme von Girobond NB (Abb. 14) und Ceramill Sintron (Abb. 15) jeweils nach simuliertem Keramikbrand dargestellt Abb. 14 Spannungs-Dehnungsdiagramme der sechs Zugprobenkörper aus Girobond NB Abb. 15 Spannungs-Dehnungsdiagramme der sechs Zugprobenkörper aus Ceramill Sintron 13. JAHRGANG 08/ /2012 dental dialogue 17

17 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK Abb. 16 Dehngrenze Rp 0.2. Die rote Linie repräsentiert die Mindestforderung der 0,2 %- Dehngrenze für Legierungen vom Typ 4 Abb. 17 Die E-Module der un - ter schied li chen Probekörper. owb steht für ohne Wärmebehandlung, mwb für mit Wärmebehandlung und Ch markiert die Werte der Chargenkontrolle von Amann Girrbach Abb. 18 Die ermittelten Werte für die Zugfestigkeit. Die mittlere Zugfestigkeit von Ceramill Sintron ist etwa 100 MPa höher als die von Girobond NB Abb. 19 Die Bruchdehnung von Ceramill Sintron ist höher als die der Gusslegierung Girobond NB und nimmt durch die Wärmebehandlung statistisch signifikant zu Gemäß DIN EN ISO wurden die Parameter Bruchdehnung A5, Dehngrenze Rp 0.2, Zugfestigkeit Rm und der E-Modul ausgewertet. Die mechanischen Eigenschaften können den Abbildungen 16 bis 19 entnommen werden, wobei jeweils links die Ergebnisse der Gusslegierung Girobond NB und rechts die der Sinterlegierung Ceramill Sintron ohne und mit Wärmebehandlung (owb, mwb), sowie die Daten der Chargenprüfung (Ch) von Amann Girrbach dargestellt sind. Eine sehr wichtige Kenngröße ist die 0,2 %-Dehngrenze (Rp 0.2), die den Übergang von elastischer zu plastischer Verformung repräsentiert. Nach DIN EN ISO müssen Legierungen vom Typ 4 mindestens einen Wert von 360 MPa aufweisen. Dieser wird von beiden Legierungen deutlich überschritten (vgl. rote Linie in Abb. 16). Die Mittelwerte von Girobond NB sind etwas höher als die von Ceramill Sintron. Bei beiden Legierungen konnte kein Einfluss der Wärmebehandlung (simulierter Keramikbrand) auf die Dehngrenze festgestellt werden. Der materialspezifische Widerstand gegen elastische Deformation wird durch den E-Modul gekennzeichnet. Das heißt, ein Material mit höherem E-Modul wird bei gegebener Zugspannung weniger gedehnt [5], wodurch grazilere Gestaltungen, zum Beispiel bei Brückenverbindern, möglich sind. In dieser Hinsicht zeigen Girobond NB und Ceramill Sintron vergleichbare Werte (vgl. Abb. 17). Infolge der Wärmebehandlung nimmt der Wert von Ceramill Sintron im Mittel von 202 auf 163 GPa etwas ab. Eine typische Edelmetalllegierung liegt im Vergleich im Bereich um 110 MPa [6]. Die mittlere Zugfestigkeit ist bei Ceramill Sintron etwa 100 MPa höher als die von Girobond NB und nimmt infolge der Wärmebehandlung noch weiter zu (vgl. Abb. 18). Die Bruchdehnung von Ceramill Sintron ist höher als die der Gusslegierung Girobond NB und wird durch die Wärmebe- 18 dental dialogue 13. JAHRGANG 10/2012

18 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE SPECIAL dd Abb. 20 Lichtmikroskopische Aufnahme einer exem plarischen Bruchfläche von Ceramill Sintron (25- fache Vergrößerung) mit homogener Struktur Abb. 21 Lichtmikroskopische Aufnahme einer exemplarischen Bruchfläche von Girobond NB (25-fache Vergrößerung). Die Struktur wirkt sehr ungleichmäßig 22 Fazit Die Ceramill Sintron Proben, die einer Wärmebehandlung (ähnlich einem klassischen Brennprogramm) unterzogen wurden, weisen die höchste Bruchdehnung und Zugfestigkeit auf. Gefolgt werden sie von Ceramill Sintron ohne Wärmebehandlung und Girobond NB mit und ohne Wärmebehandlung. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Sinterlegierung Ceramill Sintron im Vergleich zu der aufbrennfähigen Gusslegierung Girobond NB vergleichbare, in einigen Kennwerten sogar bessere Festigkeitseigenschaften aufweist. Abb. 22 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Bruchfläche von Ceramill Sintron (owb, 200-fache Vergrößerung). Diese Aufnahme unterstreicht die Homogenität der Bruchfläche handlung statistisch signifikant größer (vgl. Abb. 19). Dies kann auf eine Entspannung des Sintergefüges zurückgeführt werden. Mikroskopie Nach den Zugversuchen wurden mikroskopische Aufnahmen von den Bruchflächen angefertigt. Die Bruchflächen von Ceramill Sintron (Abb. 20) zeigten im Vergleich zur Gusslegierung Girobond NB (Abb. 21) eine homogenere Struktur (die Abbildungen sind exemplarisch für die Bruchflächen der übrigen Proben). Dies wird durch die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme weiter verdeutlicht (Abb. 22). Ähnliche Bewertungen liegen auch beim Vergleich von lasergeschmolzenen mit gegossenen aufbrennfähigen CoCr-Legierungen vor (zum Beispiel [7, 8]). Aus den vorliegenden Ergebnissen und den Beurteilungen der SLM-Strukturen kann geschlossen werden, dass Fertigungsverfahren, wie Laserschmelzen und Fräsen im Grünlingszustand mit anschließender Sinterung, konventionelle Gießverfahren ersetzen können und einen konsequenten Schritt hin zum Digital Workflow auch bei Legierungen darstellen. Zu den Personen Die Vitae der Autoren finden Sie unter dd10_12_geis-gerstorfer.pdf oder direkt mithilfe des nebenstehenden QR-Codes. Kontaktadressen Prof. Dr. Jürgen Geis-Gerstorfer und Christine Schille (PhytA) Eberhard Karls Universität Tübingen Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde Osianderstraße Tübingen Dipl.-Ing. (FH) Falko Noack und Dipl.-Ing. (FH) Axel Reichert Amann Girrbach AG Herrschaftswiesen Koblach/Österreich 13. JAHRGANG 08/ /2012 dental dialogue 19

19 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK Vergleich der Biokompatibilitäts- und Korrosionseigenschaften einer CoCr-Sinter- mit einer -Gusslegierung CoCr Sinter- vs. CoCr Gusslegierung Ein Beitrag von Prof. Dr. Jürgen Geis-Gerstorfer, Christine Schille (PhytA) und Ernst Schweizer (CTA), alle Tübingen/Deutschland, sowie Dipl.-Ing. Falko Noack und MSc Rita Hoffmann, beide Koblach/Österreich Edelmetallfreie Legierungen stehen in der Dentaltechnik für das Gießverfahren, das selektive Laserschmelzen (SLM) und als dichte Blanks für CAD/CAM-Verfahren zur Verfügung. Neu sind CoCr-Blanks, die im Grünlingszustand gefräst und anschließend dicht gesintert werden. Um dem Anwender die Sicherheit geben zu können, dass es sich bei einer derartigen Legierung um ein sehr gutes Produkt handelt, müssen Untersuchungen angestellt werden. Hierzu wurde die Sinterlegierung Ceramill Sintron im Vergleich zur Gusslegierung Girobond NB bezüglich ihrer Biokompatibilitätseigenschaften nach DIN EN ISO und der Korrosionsbeständigkeit im Immersionstest nach DIN EN ISO 10271/22674 untersucht. Im vorliegenden Beitrag sind die Ergebnisse dokumentiert, die bei den Untersuchungen gewonnen wurden. Einleitung Alle Zahnersatzmaterialien, die in die Mundhöhle eingebracht werden, unterliegen im Rahmen der Zulassung als Medizinprodukt dem Medizinproduktegesetz. Dieses regelt mit seinen Maßstäben und Vorgaben die zu erfüllenden Anforderungen, um die Sicherheit für den Anwender und vor allem für den Patienten zu gewährleisten. Zwei wesentliche Anforderungen bei Legierungen betreffen die Biokompatibilität und das Korrosionsverhalten. Die Biokompatibilität oder auch Gewebeverträglichkeit zahnmedizinischer Werkstoffe hat sich in den vergangenen Jahren zu einem umfangreichen, komplexen und eigenständigen Teilgebiet der Werkstoffkunde entwickelt [1]. Von einem biokompatiblen Werkstoff spricht man, wenn sich der Werkstoff in seiner vorgegebenen Anwendung inert* verhält oder die Freisetzung von Substanzen in einem geringen beziehungsweise angemessenen, also für den Organismus des Patienten nicht schädigendem Ausmaß stattfindet. Einen wichtigen Aufschluss Abb. 1a Zahntechnische Restaurationen, über diese Freisetzung von Substanzen geben Korrosionsuntersuchungen. Unverträglichkeitsreaktionen setzen immer Korrosionsvorgänge voraus, die dann als Metall-Protein- oder Metall-Zell-Komplexverbindungen biologische Schädigungen hervorrufen können [2]. Somit stellt eine ausreichende Korrosionsstabilität die Grundlage für eine gute Biokompatibilität dar. Für letztere gilt es unter anderem sicherzustellen, dass bei der Verwendung zahntechnischer Materialien weder zellschädigende Effekte noch keine negative Auswirkungen auf den Organismus auftreten. Auch der allergologische Aspekt bedarf im Zuge der biologischen Untersuchungen einer Betrachtung. Nur wenn alle Forderungen an die Gewebeverträglichkeit erfüllt sind, also nachgewiesen ist, dass ein neuer Werkstoff während seiner Verwendung keine negativen Einflüsse für den Patienten mit sich bringt, kann eine Zulassung gemäß des Medizinproduktegesetzes in der jeweiligen Klasse erfolgen. Literatur QR-CODE: Die Literaturliste erhalten Sie mithilfe des oben stehenden QR-Codes (Funk - tionshinweis siehe Inhalt) oder un ter in der linken Naviga tions - leiste unter Literaturverzeichnis 20 dental dialogue 14. JAHRGANG 01/2013 * Chemisch inert (lateinisch für unbeteiligt, träge) bezeichnet man Substanzen, die unter den jeweilig ge ge be nen Bedingungen mit potentiellen Reaktionspartnern nicht oder in unerheblichen Maße reagieren

20 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE dd Abb. 1b gefertigt aus der CoCr-Sinterlegierung Ceramill Sintron Der Begriff Biokompatibilität fällt bei CAD/CAM-Materialien meist im Zusammenhang mit Zirkonoxid. Aber auch edelmetallfreie (EMF) Legierungen können in diesem Kontext sehr gute Eigenschaften mit sich bringen. Ob dies auch für die neu im Dentalmarkt erhältliche CoCr-Sinterlegierung Ceramill Sintron gilt, sollen die nachfolgend dokumentierten Untersuchungen zeigen. Beschreibung Tab. 1 Chemische Zusammensetzung nach Herstellerangaben in Gew.% Elemente Ceramill Sintron Girobond nb Kobalt (Co) Chrom (Cr) Molybdän (Mo) 5 5 Wolfram (W) 5 Silizium (Si) 1,2 Cer (Ce) 0,3 weitere Elemente (Mn, Si, Fe) <1 weitere Elemente (Nb, Fe, N) <1 Nach DIN EN ISO 22674:2007 frei von Nickel, Beryllium, Gallium und Cadmium Nickel, Beryllium, Gallium und Kohlenstoff In diesem Artikel werden die Biokompatibilitäts- und Korrosionseigenschaften von Ceramill Sintron als Medizinprodukt näher beleuchtet und mit konventionell hergestelltem, dentalen Feinguss (Girobond NB) verglichen (Tabelle 1). Beide Produkte werden von Amann Girrbach hergestellt und vertrieben. Sie dienen der Herstellung von vollanatomischen beziehungsweise anatomisch reduzierten Kronen- und Brückenkons - truktionen (Abb. 1a und b). Zur Herstellung von Zahnersatz verschiedenster Anwendungen (Kronenund Brückentechnik, Teilprothetik, Füllungen, Implantattechnik) werden seit vielen Jahren Metalle in Form von Legierungen (Mischung verschiedener Metalle) verwendet und erfolgreich eingesetzt. Die weitaus wichtigsten Anforderungen an Legierungen, die in der Zahnheilkunde eingesetzt werden, sind eine ausgesprochen hohe Biokompatibilität und Korrosionsstabilität. Für dentale Zwecke verwendete, metallische Legierungen sind in der Mundhöhle extremen Belastungen ausgesetzt, die diese Anforderungen beeinflussen. Dazu zählen zum Beispiel dauerhafte Feuchtigkeit, Temperatur- und ph-wert-schwankungen sowie 14. JAHRGANG 01/2013 dental dialogue 21

21 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK 2a Abb. 2a Die Zytotoxizität wird in Zellkulturtests ermittelt, die mechanische Beanspruchungen durch Kauen oder Knirschen. Aufgrund dieser Belastungen ist es nahezu unvermeidbar, dass sich aus metallischem Zahnersatz in der Mundhöhle Bestandteile freisetzen können, was unter dem Begriff Korrosion bekannt ist. Folglich könnten aus Dentallegierungen freigesetzte Korrosionsprodukte in direkter Umgebung des Zahnersatzes oder an anderer Stelle im menschlichen Organismus zu unerwünschten Nebenwirkungen, zum Beispiel lokaltoxischen, systemtoxischen oder allergischen Reaktionen führen. Die Erforschung, Untersuchung und Prüfung der biologischen Eigenschaften dentaler Werkstoffe, eingeschlossen der genannten unerwünschten Nebenwirkungen, wird unter dem Begriff Biokompatibilität zusammengefasst. Durch die Biokompatibilitätsprüfung soll in erster Linie die Sicherheit von Patienten, aber auch von Zahnärzten, zahnärztlichem Personal und Zahntechnikern gewährleistet werden. Die bisherigen Erläuterungen und die Tatsache, dass die Verträglichkeit eines Werkstoffes durch die Freisetzung von Substanzen aus dem Werkstoff (Löslichkeit, Korrosion) bestimmt wird, zeigen auf, dass die Begriffe Biokompatibilität und Korrosionsstabilität unweigerlich miteinander verbunden sind. Im ersten Teil dieses Beitrags wird auf das Thema der Biokompatibilitätsuntersuchungen von Ceramill Sintron eingegangen. Den Hauptteil bildet die Untersuchung der Korrosionseigenschaften von Ceramill Sintron im Vergleich zu der Gusslegierung Girobond NB durch die Sektion Medizinische Werkstoffkunde und Technologie (MWT) am Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde der Universität Tübingen. Teil 1: Prüfung der Biokompatibilität von Ceramill Sintron Das Spektrum an biologischen Gefährdungen stellt aufgrund der Fülle an heutzutage existierenden und angebotenen Medizinprodukten ein umfangreiches und komplexes Themengebiet dar. Die DIN EN ISO Serie ist ein ausführliches Regelwerk, das zum Schutz des Menschen vor möglichen biologischen Risiken bei der Anwendung von Medizinprodukten beiträgt. Es beschreibt eine Vielzahl an Prüfungen, die zur Beurteilung der biologischen Sicherheit des Medizinproduktes für die Verwendung am Patienten notwendig sein können [3]. Im Rahmen der Zulassung von Ceramill Sintron als Medizinprodukt wurden durch ein unabhängiges, akkreditiertes Prüflabor, der Bioserv Analytik und Medizinprodukte GmbH in Rostock, nach DIN EN ISO folgende Biokompatibilitätsprüfungen durchgeführt: Zellschädigungen (Zytotoxizität) Überempfindlichkeit (Allergietest, Sensibilisierung) Lokaltoxische Reaktionen (Intrakutane Reaktivität) Systemtoxische Reaktionen (Akute systemische Toxizität) Die Giftigkeit von Stoffen, also deren Potential dem Organismus auf chemischem Wege Schaden zuzufügen, wird im Zytotoxizitätstest beurteilt. Im Zellkulturtest (isolierte Zellen aus menschlichem oder tierischem Gewebe) wird die eventuelle schädigende Wirkung von Medizinprodukten auf einzelne Zellen (zum Beispiel Zelltod, Zellvermehrung) untersucht. Als Maß für die Zellschädigung wird der Grad der Toxizität angegeben, der von der von intakten Zellkulturen (Grad 0) bis hin zu zerstörten Zellkulturen zu mehr als 75% (Grad 4) reichen kann. Zellkulturtests sind einfach durchführund gut reproduzierbar und deshalb zur ersten Bewertung der Biokompatibilität gut geeignet (Abb. 2a und b). Fragwürdig ist jedoch die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Zellkulturtests auf den lebenden Organismus im Gesamten [4]. 22 dental dialogue 14. JAHRGANG 01/2013

22 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE SPECIAL dd Abb. 2b einfach durchführund gut reproduzierbar und deshalb zur Bewertung der Biokompatibilität gut geeignet sind 2b Um die Versuchsbedingungen noch etwas zu verschärfen, wurde zusätzlich zum Zytotoxizitätstest nach Norm mit einer Testdauer von 24 Stunden eine Prüfung mit verlängerter Testdauer von 72 Stunden durchgeführt. Im Allergietest wird die Überempfindlichkeit (allergische Reaktion) des Organismus, ausgelöst durch ein Medizinprodukt, im Tierversuch untersucht. Aus den Ergebnissen über eine Testdauer von 24 und 48 Stunden wird der Grad der Allergenität abgeleitet, der von schwach (Grad I) bis hin zu extrem (Grad V) reichen kann. Unter lokaltoxischen Reaktionen werden nichtallergische Reaktionen in direkt benachbartem Gewebe oder Kontaktstellen zum Medizinprodukt (zum Beispiel Entzündungen der Mundschleimhaut) zusammengefasst. Die Prüfung auf intrakutane Reaktivität im Tierversuch über 24, 48 und 72 Stunden wird angewendet, um die von Medizinprodukten verursachten lokalen Gewebereaktionen beurteilen zu können. Lokaltoxische Reaktionen können von keinen erkennbaren Reaktionen (Grad 0) bis hin zu schweren Reaktionen (Grad 4) eingeteilt werden. Als systemtoxische Reaktionen werden Schädigungen von Organen oder die Beeinträchtigung derer Funktionen in nicht-direkter Umgebung zum Medizinprodukt bezeichnet. Solche Schädigungen können durch freigesetzte Substanzen in der Mundhöhle, die durch Verschlucken mit dem Speichel oder über die Blutbahn in den Organismus gelangen können, verursacht werden. Im Tierversuch über 4, 24, 48 und 72 Stunden wird der Grad der Reaktion, der von normal (Grad 0) bis hin zum Tod der Testtiere (Grad 4) reichen kann. Ergebnisse der Biokompatibilität von Ceramill Sintron In Tabelle 2 sind die Ergebnisse und deren Bedeutung und Wertung für die vier durchgeführten Biokompatibilitäsprüfungen an Ceramill Sintron aufgeführt. Tab. 2 Ergebnisse der Biokompatibilitätsprüfungen von Ceramill Sintron Prüfung Zytotoxizität Allergenität (Sensibilisierung) Intrakutane Reak tivität (Irritation) Akute systemische Toxizität Testdauer 24 h + zusätzlich 72 h 24 h, 48 h 24 h, 48 h, 72 h 4 h, 24 h, 48 h, 72 h Ergebnis Grad der Zytotoxizität: 0 Grad der Allergenität: 0 Grad der Irritation: 0,0 Grad der Reaktion: 0 Bedeutung 0 = keine Zellschäden 0-8 = schwach (Grad I) 0,0-0,4 = vernachlässigbar 0 = normal (keine Symptome) Wertung [ ] das untersuchte Material verursachte keine toxikologischen/ biologisch kritischen Zellschäden [ ] [ ] aus dem untersuchten Material konnten keine allergieauslösenden Stoffe abgeleitet werden [ ] [ ] das untersuchte Material verursachte keinerlei intrakutane Reaktionen [ ] [ ] das untersuchte Material verursachte keinerlei toxikologische Reaktionen [ ] JAHRGANG 08/ /2013 dental dialogue 23

23 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK Die Versuchsergebnisse zeigen, dass Ceramill Sintron die Biokompatibilitätsanforderungen nach der Norm DIN EN ISO erfüllt und als gewebeverträglich bei vorgegebener spezifischer Anwendung einzustufen ist. Auch bei der Zytotoxizitätsprüfung mit verlängerter Testdauer über 72 h konnten keinerlei Zellschädigungen festgestellt werden. Das allergene Risiko wird gemäß der angewandten Norm mit der niedrigstmöglichen Kategorie bewertet. Im Vergleich zu der seit Jahren klinisch erprobten und erfolgreich eingesetzten Gusslegierung Girobond NB sind beide Legierungen in ihren hier festgestellten Biokompatibilitätseigenschaften als gleichwertig einzustufen. Teil 2: Prüfung der Korrosionseigenschaften Zur Überprüfung der Korrosionseigenschaften wurde in der vorliegenden Untersuchung die Statische Eintauchprüfung herangezogen, die als Standardverfahren zur Beurteilung der Korrosionseigenschaften von dentalen Legierungen gilt. Bei der auch unter dem Begriff statischer Immersionstest bekannten Prüfung wird der Masseverlust bestimmt, indem die Löslichkeit einer metallischen Probe unter Mundhöhlenbedingungen simuliert und untersucht wird. Dabei wird eine metallische Probe in ein Bad aus künstlichem Speichel getaucht und verbleibt dort für eine gewisse Zeit. Als Maß für die Löslichkeit der Probe wird die Menge an freigesetzten Metallionen als Masseverlust pro Probenoberfläche (μg/cm 2 ) innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne bestimmt. Der Masseverlust von dentalen Legierungen darf laut der Norm DIN EN ISO den Wert von 200 μg/cm 2 in 7 Tagen nicht überschreiten. Material und Methode Die Prüfkörpergeometrie für die statische Eintauchprüfung ist in der Abbildung 3 dargestellt. Für die Korrosionsprüfungen wurden je zwölf Platten aus Girobond NB und Ceramill Sintron hergestellt. Als Grundlage dienten die Normen DIN EN ISO [4] sowie die DIN EN ISO [5]. Die Abbildungen 4a bis c zeigen die Probenherstellung der plattenartigen Prüfkörper am Beispiel von Girobond NB. Die Plättchen wurden auf Basis eines CAD-Datensatzes (Abb. 4a) mit der Ceramill Motion 1 aus einem Wachsrohling (Ceramill WAX) herausgefräst (Abb. 4b). Anschließend wurden die Proben mit 3 mm und 5 mm Wachsdrähten angestiftet (Abb. 4c) und im Speedverfahren mit Giroinverst Super (Amann Girrbach) nach Herstellerangaben eingebettet und vorgewärmt. Das Abgießen der Muffeln erfolgte mit dem Vakuum-Druckgussgerät Heracast IQ (Heraeus). Nach dem Ausbetten und dem Verschleifen der Angusskanäle wurden die Oberflächen der Plättchen auf der Schleif- und Poliermaschine Phoenix Beta (Buehler) mit Siliziumkarbid Schleifpapier der Körnung 1200 unter Wasserkühlung bearbeitet (Abb. 4d). Die Plättchen aus Ceramill Sintron wurden auf Basis desselben Datensatzes direkt aus den CoCr-Rohlingen herausgefräst und anschließend wie auf Seite 25 dargestellt gesintert (Abb. 4e und f ). Die Oberflächenbearbeitung erfolgte analog zu den gegossenen Proben. 3 Abb. 3 Konstruktionszeichnungen der Prüfkörper für die Statische Eintauchprüfung zur Untersuchung der Korrosionseigenschaften Nach den vorliegenden Normen sollten Legierungen, die laut Hersteller auch zum Aufbrennen von keramischen Verblendungen geeignet sind, ebenfalls im wärmebehandelten Zustand geprüft werden. Dadurch soll beurteilt werden, ob aufbrennfähige Legierungen auch nach der Temperatureinwirkung wie es bei der keramischen Verblendung der Fall ist ihre Eigenschaften im Vergleich zum unbehandelten Zustand beibehalten. Aus diesem Grund wurde der Ablauf einer keramischen Verblendung an jeweils der Hälfte der hergestellten Proben pro Legierung nach den Brandvorgaben für die konventionelle Verblendkeramik Creation CC (Creation Willi Geller) simuliert (Abb. 5a und b). In der DIN EN ISO ist eine Brandfolge mit einem Oxidbrand und vier Brennzyklen gefordert. Die DIN EN ISO schlägt eine Wärmebehandlung für 10 Minuten bei der laut Legierungshersteller höchsten Brenntemperatur vor. Zur Verschärfung der Prüfbedin- Tab. 3 Brenntabelle zur Wärmebehandlung der Prüfkörper Brand Start tempe - ratur Verschluss - zeit Temperatur - anstieg Vakuum End tempe - ratur Haltezeit Oxidbrand 550 C 80 C/min 1000 C 1 min 1. Opaker 550 C 6 min 80 C/min C 1 min 2. Opaker 550 C 6 min 80 C/min C 1 min 1. Dentin 580 C 6 min 55 C/min C 1 min 2. Dentin 580 C 4 min 55 C/min C 1 min Glanzbrand 600 C 2 min 55 C/min 930 C 24 dental dialogue 14. JAHRGANG 01/2013

24 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE SPECIAL dd Abb. 4a bis d Herstellung der Proben für die statische Eintauchprüfung am Beispiel der CoCr-Gusslegierung Girobond NB: Fräsen in Wachs; Anstiften, Einbetten und Gießen; Schleifen der Probekörper 4a 4b 4c 4d Abb. 4e und f Die Ceramill Sintron Probekörper basieren auf demselben CAD-Datensatz wie die Girobond NB Proben. Allerdings werden die Proben nach dem Fräsen aus dem Rohling herausgetrennt und dicht gesintert 4e 4f gungen wurden sechs Prüfkörper jeder Legierung drei keramischen Brandfolgen mit je sechs Brennzyklen in einem konventionellen Keramikbrennofen unterzogen (Tabelle 3). Die Wärmebehandlung der Plättchen erfolgte vor der Oberflächenbearbeitung mit dem 1200er Siliziumkarbidschleifpapier. Korrosionsmessungen (Immersionstest) Die Prüfung und Ermittlung der Korrosionseigenschaften durch die statische Eintauchprüfung wurde nach DIN EN ISO von der Abteilung für Medizinische Werkstoffkunde und Technologie am Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde am Universitätsklinikum Tübingen durchgeführt. Der Elektrolyt (künstlicher Speichel) für die Tauchversuche bestand aus 0,1 mol/l Milchsäure und 0,1 mol/l NaCl (ph 2,3). Der Immersionstest wurde in 15 ml Kunststoffröhrchen (PP) mit Verschlusskappen durchgeführt JAHRGANG 08/ /2013 dental dialogue 25

25 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK 5a 5b Abb. 5a und b Nach den vorliegenden Normen sollten Legierungen, die auch zum Aufbrennen von Keramiken geeignet sind, ebenfalls im wärmebehandelten Zustand geprüft werden Die Proben wurden mit Ethanol im Ultraschallbad für 3 bis 5 Minuten gereinigt und danach jedes einzeln in einem der Kunststoffröhrchen platziert. Dabei wurde auf minimale Kontaktpunkte der Probe mit den Röhrchen geachtet. Sodann wurde 10 ml Testlösung in die Röhrchen gefüllt und dieses anschließend verschlossen, um eine Verdunstung der Lösung zu verhindern (Abb. 6). Die Proben/Röhrchen wurden in einem Inkubator auf 37±1 C temperiert. Der Untersuchungszeitraum für den Immersionstest betrug sieben Tage. Nach einem Tag und nach vier Tagen wurde der Elektrolyt gewechselt und nach sieben Tagen die Proben den Röhrchen entnommen. Die Analyse der in Lösung gegangenen Elemente wurde mit einem ICP-OES Spektrometer Optima 4300 DV (Perkin- Elmer) vorgenommen (Abb. 7a und b). Zur Kalibrierung wurden Standardlösungen unter Verwendung der Testlösung angesetzt. Jedes in Lösung gegangene Element wurde mit dem Spektrometer bei zwei verschiedenen Wellenlängen und drei sequentiellen Messdurchläufen bestimmt. Daraus wurden Mittelwerte berechnet. Die Nachweisempfindlichkeit der Konzentrationen der untersuchten Legierungselemente wurde als <0,03 mg/l ermittelt (blank detection limit). Die Menge der herausgelösten Elemente wurde auf μg/cm2 umgerechnet. Ergebnisse der Korrosionsprüfung In Abbildungen 8 und 9 ist der gemittelte Massenverlust aus sechs Proben jeder Legierung jeweils mit und ohne Wärmebehandlung dargestellt (Tabelle 4a und b). Die Ergebnisse zeigen, dass die Co-Abgabe bei beiden Legierungen mit Werten unter 1 μg/cm2 sehr gering ist und bei den wärmebehandelten Proben sogar noch geringer ausfällt. Unterschiede finden sich hierzu nur im zeitlichen Verlauf der Co-Abgabe. Bei Ceramill Sintron erfolgt eine Abnahme von 0,52 am ersten auf 0,06 μg/cm2 am siebten Tag (ohne Wärmebehandlung). Mit Wärmebehandlung verringern sich die Werte von 0,38 (Tag 26 dental dialogue 14. JAHRGANG 01/2013

26 DIGITALE ZAHNTECHNIK SCIENCE SPECIAL dd Tab. 4a Analytisch (ICP-OES) bestimmter mittlerer Masseverlust (n=6) in µg/cm 2 Tag Wärme behandlung Mo Co Ce Cr Fe Nb Si W Ceramill Sintron 1 ohne 0,00 0,52 0,09 0,00 0,31 mit 0,00 0,38 0,07 0,00 0,30 4 ohne 0,00 0,12 0,00 0,00 0,30 mit 0,00 0,10 0,00 0,00 0,30 7 ohne 0,00 0,06 0,00 0,00 0,31 mit 0,00 0,05 0,00 0,00 0,30 Girobond NB 1 ohne 0,00 0,52 13,80 0,03 0,00 0,07 0,37 0,00 mit 0,00 0,38 10,65 0,03 0,00 0,07 0,34 0,00 4 ohne 0,00 0,12 25,38 0,03 0,00 0,13 0,72 0,00 mit 0,00 0,10 19,90 0,03 0,00 0,15 0,68 0,01 7 ohne 0,00 0,06 31,95 0,03 0,00 0,20 1,05 0,00 mit 0,00 0,05 25,11 0,03 0,00 0,22 1,00 0,01 Abb. 6 Die Proben werden zur Prüfung und Ermittlung der Korrosionseigenschaften in 10 ml künstlichen Speichel getaucht 6 eins) auf 0,05 μg/cm2 (Tag sieben). Bei Girobond NB verändert sich die Co-Abgabe über den sieben Tage andauernden Tauchversuch ohne Wärmebehandlung kaum, dagegen kommt es zu einer Zunahme der Co-Abgabe nach Wärmebehandlung. In ähnlicher Weise verhält es sich mit dem Element Si, das bei Ceramill Sintron in beiden Zuständen mit 0,3 μg/cm2 unverändert bleibt. Bei Girobond NB steigt der Massenverlust bei beiden Zuständen von 0,3 auf 1 μg/cm2 an. Bei Girobond NB ist die hohe Löslichkeit des Elements Cer auffällig, das hauptsächlich in Lösung geht und dessen Masseverlust im Verlauf der sieben Tage Tauchversuch zunimmt. Dies ist sowohl mit als auch ohne Wärmebehandlung der Fall. Der hohe Masseverlust von Cer bedingt die Unterschiede im aufsummierten Gesamtmasseverlust JAHRGANG 08/ /2013 dental dialogue 27

27 dd SCIENCE DIGITALE ZAHNTECHNIK 7a 7b Abb. 7a und b ICP-Spektrometer zur Analyse der in Lösung gegangenen Metallionen und Ermittlung des Masseverlusts 8 9 Abb. 8 Aufsummierter mittlerer Masseverlust von Ceramill Sintron über sieben Tage Immersion in künstlichem Speichel Abb. 9 Aufsummierter mittlerer Masseverlust von Girobond NB über sieben Tage Immersion in künstlichem Speichel Fazit Tab. 4b Mittlerer Gesamtmasseverlust aller Elemente Tag Summe [µg/cm²] Ceramill Sintron Beide Legierungen erfüllen die Anforderungen der ISO und liegen deutlich unter dem in der Norm geforderten (nach Ansicht der Autoren deutlich zu hoch angesetzten) maximalen Grenzwert von 200 μg/cm2. Die chemische Löslichkeit von Girobond NB ist hinsichtlich der Hauptbestandteile (Co, Cr, Mo) ebenfalls sehr gering. Bei der Gusslegierung fällt das Element Cer (Elementsymbol Ce) mit den höchsten Werten auf. Ähnlich wie bei der hier geprüften Gussund Sinterlegierung konnte auch bei CoCr-Legierungen, die im SLM-Verfahren verarbeitet wurden, eine geringe Co-Abgabe festgestellt werden. Somit integriert sich die Sinterlegierung in seinem Korrosionsverhalten in die Reihe der bisher verarbeitbaren CoCr-Legierungen. Girobond NB owb* mwb** owb* mwb** 1 0,92 0,75 14,58 11,38 4 1,34 1,15 26,68 21,16 7 1,70 1,50 33,73 26,86 Insgesamt ist die chemische Löslichkeit von Ceramill Sintron sehr gering. Dies bedingt die ebenfalls festgestellten guten Biokompatibilitätsergebnisse. Zu den Personen Die Vitae der Autoren finden Sie unter dd1_13_sintron2.pdf oder direkt mithilfe des nebenstehenden QR-Codes. Kontaktadressen Prof. Dr. Jürgen Geis-Gerstorfer, Christine Schille (PhytA) und Ernst Schweizer (CTA) Eberhard Karls Universität Tübingen Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde Osianderstraße Tübingen Dipl.-Ing. (FH) Falko Noack und MSc Rita Hoffmann Amann Girrbach AG Herrschaftswiesen Koblach/Österreich 28 dental dialogue 14. JAHRGANG 01/2013 * owb = Ohne Wärmebehandlung/ ** mwb = mit Wärmebehandlung