Zyklischer Ermüdungstest

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1 Zyklischer Ermüdungstest Petra C. Guess*, Ricardo Zavanelli+, Nelson Silva und Van P. Thompson, NYU Kurzfassung: Keramisch verblendete Zirkoniumoxid-Kronen und monolithische Lithium-Disilikat-Kronen wurden getestet. Mittels eines zyklischen mehrstufigen Kaufunktionsermüdungstests wurden Zuverlässigkeit und Versagensart geprüft. Abplatzungen oder Frakturen durch die Krone wurden als Versagen angesehen. Es wurden drei stufigenförmige Belastungsprofile bis zum Versagen oder eine Belastung von bis zu 900 N und Zyklen angewendet. Anschliessend wurde ein Treppenstufen-Ermüdungsversuch bis zu einer Belastung angewandt, bei der erwartet wurde, dass 50% der Testkronen Zyklen überstehen würden. Verblendete Zirkoniumoxid-Kronen zeigten eine eingeschränkte Zuverlässigkeit ungefähr 90% der Testkronen würden bei Zyklen und 200 N Belastung aufgrund von Abplatzungen versagen. Diese Ergebnisse entsprechen denjenigen aus früheren Studien, in denen andere verblendete Zirkoniumoxidsysteme (LAVA, Cercon, Vita) mit dieser Methode geprüft wurden (Coelho P. G., Silva N. R., Bonfante E. A., Guess P. C., Rekow E. D., Thompson V. P. Fatigue testing of two porcelain-zirconia all-ceramic crown systems. Dent Mater Apr 21. [Epub vor dem Druck]). Ungefähr 90% der verblendeten Zirkoniumoxid-Testkronen versagten bei einer Belastung von 350 N, unabhängig von der Anzahl an Zyklen. Keine der IPS e.max CAD Lithium-Disilikat-Testkronen versagte unter 900 N und Zyklen, unabhängig vom Belastungsprofil. Die IPS e.max CAD Lithium-Disilikat-Testkronen überlebten den Dauerbelastungstest (Belastungsverhältnis R-Wert) von Zyklen bei Belastungen von N. Der Grenzwert für Schäden/Frakturen der Lithium-Disilikat-Testkronen scheint im Bereich zwischen N zu liegen. * Gastwissenschaftlerin der Abteilung für Zahnärztliche Prothetik der Universität Freiburg, Deutschland + Gastwissenschaftler von der Abteilung für Prävention und Orale Rehabilitation, Federal University of Goias School of Dentistry, Goiania, Brasilien 1

2 Hintergrund: Während Y-TZP-Keramik bei klinischen Studien bei kurzer [1] und mittlerer Beobachtungszeit als Gerüstmaterial für festsitzende Kronen und Brücken eine hohe Stabilität aufweist [2-3], sind Abplatzungen in der Verblendkeramik die häufigste klinische Versagensart von vollkeramischen Restaurationen auf Y-TZP-Basis [4]. Aufgrund dessen wurde nach vollkeramischen Alternativen für die Herstellung von Vollkronen gesucht. Da für IPS Empress 2-Kronen hohe Überlebensraten ohne das Auftreten von Abplatzungen im Bereich der Verblendkeramik berichtet wurden [5, 6], scheint eine Untersuchung des kürzlich entwickelten monolithischen CAD/CAM-gefertigten IPS e.max CAD Lithium-Disilikat-Systems vielversprechend zu sein. Da bislang weder zu Y-TZP-basierten noch zu CAD/CAM-gefertigten Lithium-Disilikat-basierten Kronen Studien zur klinischen Bewährung vorliegen, dürfte eine präklinische Untersuchung zur In-vitro-Langlebigkeit und mikrostrukturellen Ermüdung die meisten Erkenntnisse in Bezug auf eine Einschätzung des langfristigen Verhaltens dieser beiden Vollkeramiksysteme liefern. Ziel: Auswertung des Einflusses eines zyklischen, mehrstufigen Kaufunktionsermüdungstests auf die Zuverlässigkeit und Versagensarten von monolithischen Lithium-Disilikat-Kronen (IPS e.max CAD) und Vergleich der Ergebnisse mit von Hand geschichteten verblendeten Kronen auf Y-TZP-Basis (IPS e.max ZirCAD/Ceram). Methoden: Es wurde ein anatomisch korrektes 3D-Modell einer Krone für den ersten Unterkiefermolaren generiert. Es wurden sowohl monolithische Lithium-Disilikat-Vollkronen (IPS e.max CAD; n=19) als auch manuell verblendete Kronen auf Y-TZP-Basis (IPS e.max ZirCAD/Ceram; n=21) geprüft. Vollanatomisch gestaltete IPS e.max CAD- Kronen und IPS e.max ZirCAD-Gerüste wurden konstruiert und mit einem CAD/CAM-System (inlab, Sirona, Deutschland) geschliffen. Die IPS e.max ZirCAD-Gerüste wurden von Hand mittels der Schichttechnik gemäss Herstellerangaben verblendet (IPS e.max Ceram). Abb. 1: CAD/CAM-Kronen-Konfiguration IPS e.max CAD: Vollanatomische Gestaltung (okklusale Reduktion: 2 mm, axial 1,5 mm), IPS e.max ZirCAD/Ceram (0,5 mm Y-TZP-Gerüst; mm Verblendkeramik) Alle Kronen wurden mit Multilink Automix auf gealterten Komposit-Stümpfen befestigt (Tetric EvoCeram A2). Vor der Befestigung wurde eine Primer-Schicht (Metal/Zirconia Primer) auf die Innenfläche des Zirkoniumoxid- 2

3 Gerüstes aufgetragen (ohne Sandstrahlen oder Silanisierung). Die IPS e.max CAD-Kronen wurden mit 5%iger Flusssäure (IPS Ceramic Etching Gel) für 20 Sekunden gemäss Herstellerangaben geätzt. Um die stufenförmigen Belastungsprofile zu bestimmen, wurden drei Kronen pro Gruppe einer einmaligen Belastung bis zum Versagen unterzogen. Testkronen von jeder Gruppe wurden anschliessend mittels Kaufunktionsermüdungstest geprüft. Für die mechanische Prüfung wurde ein Hartmetallprüfstempel (r=3,18 mm) entlang des distobukkalen Höckers (nach oral) über eine Distanz von 0,7 mm bewegt (Abb. 2). Abb. 2: Kausimulation mit Kraftapplikation auf den distobukkalen Höcker der Krone (Pfeile) Komplettfrakturen der monolithischen IPS e.max CAD-Kronen und Abplatzungen der Verblendkeramik bei verblendeten IPS e.max ZirCAD/Ceram-Kronen wurden als Versagen gewertet. Drei stufenförmige Belastungsprofile (gering, mässig und stark) wurden für den Ermüdungstest erstellt. Das mehrstufige Stress- Profil für IPS e.max CAD begann aufgrund der Erfahrungen aus vorhergehenden Untersuchungen bei einer Belastung von 500 N und endete bei der Maximalbelastung von 900 N und Zyklen bei dem Profil mit geringer Belastung. Bei dem Profil mit starker Belastung betrug die Maximalbelastung 900 N bei Zyklen. IPS e.max CAD-Testkronen (n=6) wurden in einer 3:2:1-Verteilung auf die drei verschiedenen Profile verteilt. Falls kein Versagen auftreten sollte, wurde es aufgrund der hohen Belastungen, die angewandt wurden, als sinnvoll angesehen, die Testmethode zu ändern. Die verbleibenden Testkronen wurden dazu verwendet, die Belastung, bei der 50% der Prüflinge Zyklen mit einer Belastungsfrequenz von 5 Hz überstehen würden, mittels Treppenstufen-Ermüdungsversuch zu bestimmen. Es wurde eine Ermüdungsstrategie mit dem Belastungsverhältnis R =1:10 gewählt. Als Versagen wurde eine grosse Abplatzung oder die Komplettfraktur gewertet. Ergebnisse: Während der Einzelbelastung bis zum Versagen traten bei einem hohen Belastungsniveau (2576 N, Abb. 3) bei den Kronen aus IPS e.max CAD Frakturen auf, bei denen die Komposit-Präparation zum Vorschein trat. Bei den IPS e.max ZirCAD/Ceram-Kronen waren die Frakturen auf die Verblendkeramik begrenzt (1195 N, Abb. 3). 3

4 Abb. 3: Ergebnisse der Bruchlastprüfung und Frakturarten (Man beachte die verschiedenen Frakturarten) IPS e.max CAD 2576 ± 206 N IPS e.max ZirCAD/Ceram 1195 ± 221 N Bei den IPS e.max CAD-Kronen traten im mehrstufigen Kaufunktionsermüdungstest bis zu einer Belastung von 900 N keine Abplatzungen oder Komplettfrakturen auf. Es wurden lediglich oberflächliche Beschädigungen beobachtet (Abb. 4). Abb. 4: Okklusalansicht (links) und Schnitt (Mitte) einer IPS e.max CAD-Krone bei 900 N, die nach dem Ermüdungstest bei Zyklen nur geringfügige okklusale Schäden (rechts) aufwies IPS e.max CAD Schnittlinie Querschnitt Section Detailansicht der Beschädigung Nachdem alle IPS e.max CAD-Testkronen (n=6) den Kaufunktionsermüdungstest in der ersten 3:2:1-Verteilung überstanden hatten, wurde ein Treppenstufen-Ermüdungsversuch bis Zyklen durchgeführt. Bei Zyklen mit Belastungen im Bereich zwischen 900 und N wurden bis Zyklen keine Ausfälle beobachtet (Abb. 5). Die Resultate dieser ermüdeten Testkronen (n=10) deuten darauf hin, dass die Ermüdungsprüfung nur einen minimalen Einfluss auf die IPS e.max CAD Lithium-Disilikat Glaskeramik ausübte. Abb. 5: IPS e.max CAD-Kronen nach Zyklen im Belastungsverhältnis N: Es traten keine Materialfrakturen auf N N N 4

5 Bei Belastungen über N versagten die IPS e.max CAD-Kronen aufgrund von Komplettfrakturen (Abb. 6). Abb. 6: Komplettfraktur einer IPS e.max CAD-Krone nach Zyklen und dem Belastungsverhältnis im Bereich von N (schwarze Markierung zeigt den Bereich der Belastung an). Von Hand geschichtete Kronen auf Y-TZP-Basis (n=18) wiesen im mehrstufigen Belastungs-Ermüdungstest im Vergleich zu monolithischen IPS e.max CAD-Kronen eine andere Frakturart auf. Abb. 7: Okklusalansicht (obere Reihe) und Schnitt (untere Reihe) von IPS e.max ZirCAD/Ceram-Kronen, die nach dem zyklischem Ermüdungstest Rissbildungen (links) und Abplatzungen (rechts) zeigen Riss IPS e.max ZirCAD/Ceram Abplatzung Versagen bei 300 N, Zyklen Versagen bei 200 N, Zyklen 49% der IPS e.max ZirCAD/Ceram-Kronen zeigten im Bereich der Verblendkeramik vor der Abplatzung Anzeichen von Rissbildung und Risswachstum. Ein Ablösen der geschichteten Verblendkeramik (IPS e.max Ceram) mit Exposition des IPS e.max ZirCAD- Gerüstes wurde nicht beobachtet. Keine der IPS e.max ZirCAD/Ceram-Testkronen zeigte Frakturen im IPS e.max ZirCAD-Gerüst (Zirkoniumoxid) (Abbildung 7). Die maximal angewandte Belastung betrug 500 N. Die manuelle Schichttechnik auf ZirCAD war mit einer eingeschränkten Zuverlässigkeit korreliert, wobei bei 200 N ungefähr 90% der Testkronen bei Zyklen versagten (Abb. 8). 5

6 Abb. 8: Eingeschränkte Zuverlässigkeit (Weibull-Verteilung) von IPS e.max ZirCAD/Ceram versus Zeit (Zyklen) bei einer Last von 200 N Use Level Probability Weibull Use Level 2-Sided e.max CAD Ceram HL Cumulative Damage Weibull 200 N Load F=17 S=1 Data Points Use Level Line Top CB-I Unreliability Beta=7.0; Alpha(0)=12.29; Alpha(1)= Cycles Zusammenfassung: CAD/CAM-gefertigte monolithische Lithium-Disilikat-Vollkronen (IPS e.max CAD) wiesen im vorliegenden standardisierten Kronen-Prüfungsmodell mit zyklischem, mehrstufigem Dauerbelastungs- Ermüdungstest keine Ausfälle bei Belastungen von bis zu 900 N und Zyklen auf. Im Gegensatz dazu war die Zuverlässigkeit der von Hand geschichteten Y-TZP-basierten Kronen (IPS e.max ZirCAD/Ceram) signifikant geringer (weniger als 10% bei 200 N und Zyklen). IPS e.max CAD-Kronen hielten der Ermüdungsprüfung im Belastungsverhältnis von Zyklen und N Belastung stand. Der Ermüdungsschaden hatte daher lediglich einen minimalen Einfluss auf die IPS e.max CAD Lithium-Disilikat Glaskeramik. Der Grenzwert für Schäden/Frakturen an monolithischen IPS e.max CAD-Vollkronen scheint im Bereich zwischen N zu liegen. Die verbesserte Produktionstechnik der IPS e.max CAD-Blöcke, die Verwendung der CAD/CAM- Technik bei der Herstellung der Kronen sowie die Entwicklung einer feinkörnigen Lithium-Disilikat- Mikrostruktur dürften zur niedrigen Ermüdungsanfälligkeit des IPS e.max CAD-Vollkeramiksystems für den Indikationsbereich der vollanatomischen Krone beigetragen haben. Im Vergleich zu den unter identischen Bedingungen geprüften verblendeten Zirkoniumoxid-Systemen (ZirCAD, LAVA, Cercon, Vita InCeram YZ) kann aufgrund der vorliegenden Ergebnisse davon ausgegangen werden, dass CAD/CAM-gefertigte monolithische IPS e.max CAD-Vollkronen ein ausgezeichnetes klinisches Verhalten in Bezug auf Abplatzungen oder Frakturen zeigen dürften. IPS e.max Lithium-Disilikat ist die stabilste Keramik, die bislang untersucht wurde. Die Anwendung dieses 6

7 Vollkeramiksystems als Versorgungsmaterial im Bereich der Implantologie scheint daher sehr vielversprechend. Weitere Studien sind nötig, um die Zuverlässigkeit von verblendeten IPS e.max CAD-Restaurationen für ästhetisch anspruchsvolle Versorgungen zu ermitteln. Des Weiteren steht der Vergleich mit dem Metallkeramik-Goldstandard noch aus. Literatur: 1. Sturzenegger B. F. A., Luthy H., Schumacher M., Loeffel O., Filser F., Kocher P., Gauckler L., Scharer P. Clinical Evaluation of Zirconium Oxide Bridges in the Posterior Segments Fabricated with the DCM System. Acta Med Dent Helv 2000;5: Tinschert J., Schulze K. A., Natt G., et al. Clinical behavior of zirconia-based fixed partial dentures made of DC-Zirkon: 3-year results. Int J Prosthod 2008;21: Raigrodski A. J., Chiche G. J., Potiket N., et al. The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxidebased ceramic fixed partial dental prostheses: a prospective clinical pilot study. J Prosthet Dent 2006;96: Della Bona A., Kelly J. R. The clinical success of all-ceramic restorations. J American Dent Assoc (1939) 2008;139 Suppl:8S-13S 5. Marquardt P., Strub J. R. Survival rates of IPS empress 2 all-ceramic crowns and fixed partial dentures: results of a 5-year prospective clinical study. Quint Int 2006;37: Taskonak B., Sertgoz A. Two-year clinical evaluation of lithia-disilicate-based all-ceramic crowns and fixed partial dentures. Dent Mater 2006;22: