SCIENCE. Die Biegefestigkeit von Verblendkompositen WERKSTOFFKUNDE. Einleitung

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1 Zusammenfassung In der vorliegenden Untersuchung wurde die Biegefestigkeit von drei verschiedenen, auf dem Markt befindlichen Verblendkompositen geprüft. Dazu wurden standardisierte Prüfkörper nach DIN EN ISO hergestellt und in der Dreipunktbiegeprüfanordnung gemessen. Es wurden keine statistischen Unterschiede in der Biegefestigkeit zwischen den Verblendkompositen gefunden. Die Festigkeiten dieser Komposite lagen bei ca. 100 MPa. Indizes Verblendkomposite, Biegefestigkeit, Feinhybrid-Komposite, mikrogefüllte Komposite Die Biegefestigkeit von Verblendkompositen Bogna Stawarczyk, Dania Gnägi, Marija Tesic-Divac, Anna Schramm, Christoph H. F. Hämmerle Durch die extreme Weiterentwicklung der Kunststoffe in den letzten Jahren sind indirekte laborgefertigte Komposit-Restaurationen eine gute Alternative zu keramischen Restaurationen geworden; sowohl als intrakoronale Werkstücke wie Inlays, Overlays und Veneers als auch in Form größerer festsitzender Rekonstruktionen wie Kronen und Brücken. Dabei dienen Verblendkomposite zum Verblenden von metallischen Kronen und Brückengerüsten. Die modernen Verblendkunststoffe, also Komposite, sind lichthärtende Einkomponentensysteme, die mittels Licht spezieller Wellenlänge (zwischen 350 nm und 500 nm, je nach Hersteller) ausgehärtet werden. Nicht alle Polymerisationsgeräte sind für alle Verblendkunststoffe geeignet. Aus diesem Grund sollten dabei grundsätzlich die Angaben der Hersteller berücksichtigt werden. Durch das Sandstrahlen sowie die Entwicklung neuer Verfahren wie das Silanisieren der Gerüstoberfläche kann heute ein guter Verbund zwischen Metallgerüst und Kunststoffverblendung erzielt werden. 12 Die Verblendkomposite sind eine ernst zu nehmende Konkurrenz zu der Verblendkeramik geworden. Einleitung 830 Zahntech 2010;36(6):

2 Hydrolisierbare Alkoxylgruppe Reaktive organofunktionelle Gruppe Anorganische Substanz OH OR Si X Organisches Polymer Abb. 1 Das Grundprinzip von Silanen. Abb. 2 Die chemische Formel von BisGMA. Verblendkomposite Die Verblendkomposite sind aus einer organischen Matrix, anorganischen Füllstoffen, Verbundsilan, Initiatoren und Stabilisatoren zusammengesetzt. Bei den dentalen Kompositen ist g-methacryloxypropyltrimethoxysilan ein bipolares, organisches Molekül das am häufigsten eingesetzte Verbundsilan. 5 Es hat die Aufgabe, die Füllstoffe mit der Matrix zu verbinden. Jedoch muss vorher das Silan hydrolysiert werden. Während der Hydrolyse wird mittels Wasser Methanol abgespalten, sodass die CH 3 -Gruppen durch OH-Gruppen ersetzt werden. Abbildung 1 zeigt das Grundprinzip des Silans. Die OH- Gruppe koppelt unter Abspaltung von Wasser an die Füllstoffpartikel an, während die Kohlenstoffdoppelbindung auf der gegenüberliegenden Seite mit den Kohlenstoffdoppelbindungen der Matrix bindet. Durch die Silanisierung werden die eigentlich hydrophilen Füllstoffoberflächen hydrophob gemacht, was erst die Benetzung der Füllstoffoberflächen durch die Monomere ermöglicht. Dadurch wird ein fester Verbund zwischen der organischen Matrix und den anorganischen Füllstoffen erreicht. Als Füllstoffe werden Gläser, Glaskeramiken, Silikate, pyrogenes Siliziumoxid oder Vorpolymerisate aus Isomerengemischen verwendet. Um eine dauerhafte Silanisierung zu ermöglichen, ist ein hoher Siliziumdioxidanteil in der Glasmatrix notwendig. Neben monofunktionellen Methacrylaten werden heute vorwiegend mehrfach funktionelle Acrylate als organische Matrix verwendet. Die Polymerisation der bifunktionellen Monomere führt zur Ausbildung von dreidimensional vernetzten Strukturen, es entsteht im Prinzip ein einziges Makromolekül. Bisphenol-glycidyl-methacrylat (BisGMA) (Abb. 2) ist seit den 60er-Jahren als Hauptbestandteil der Matrix bei den dentalen Kompositen das Monomer der Wahl. Um die hohe Viskosität von BisGMA herabzusetzen, werden der Matrix kürzere Monomere wie Triethylenglycol-dimethacrylat (TEGDMA) (Abb. 3) oder 2-hydroxyethyl-methacrylat (HEMA) (Abb. 4) beigesetzt. Urethan-dimethacrylat (UDMA) (Abb. 5) ist ein komplexes Monomer mit geringerer Viskosität als Bis- GMA. 1,11 Die jeweiligen Eigenschaften wie Molekulargewicht, Viskosität und Schrumpfung sind in der Tabelle 1 dargestellt. Zusammenfassend ist die Viskosität des Monomers vom Molekulargewicht abhängig. Je höher das Molekulargewicht ist, desto viskoser ist Zahntech 2010;36(6):

3 Abb. 3 Die chemische Formel von TEGDMA (links). Abb. 4 Die chemische Formel von HEMA. Abb. 5 Die chemische Formel von UDMA. Monomer Molekulargewicht (g/mol) Viskosität (mpa s) Schrumpfung V (%) BisGMA bis ,1 UDMA bis ,7 TEGDMA ,3 Tabelle 1 Die Eigenschaften der Monomere (nach Moszner et al. 11 ) das Monomer und je höher die Viskosität ist, desto geringer ist die Schrumpfung nach der Polymerisation (Aushärtung). Alle diese Monomere sind sehr ähnlich aufgebaut. An beiden Enden befinden sich Doppelbindungen, die die Polymerisation an andere Monomere ermöglichen. In der Mitte befindet sich der Rest, der die Eigenschaften des Monomers bestimmt. Da diese Doppelbindungen nur einen kleinen Anteil des Moleküls ausmachen, reduziert sich im Vergleich zu herkömmlichen PMMA-Kunststoffen die Polymerisationsschrumpfung, da der Rest des Monomermoleküls während der Reaktion unverändert bleibt. Neben der Wahl der Monomere beeinflussen die Art und Menge der Füllstoffe die mechanischen Eigenschaften (Härte, Festigkeit, Abrasionsbeständigkeit). 9 Ein hoher Anteil an Füllstoff verbessert die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kompositen. 9 So kann die Viskosität nicht nur durch die Wahl der Monomere, sondern ebenfalls durch den Füllstoff gesteuert werden. Obwohl die Zusammensetzung der Verblendkomposite derjenigen der direkten dentalen Komposite sehr ähnlich ist, weisen sie bessere mechanische Eigenschaften auf. 5 Der Grund dafür liegt in der höheren Konversionsrate, die durch zusätzliche Hitze (zwischen 80 C und 140 C) und/oder Vakuum oder Stickoxide erreicht wird. Dabei sind die Herstellerangaben für die Verarbeitung der Komposite zu beachten. 3,13 Eine hohe Konversionsrate erhöht zudem die Resistenz des Komposite gegen chemische Angriffe. 14 Bei Werkstoffen wie den Kompositen werden die mechanischen Eigenschaften vor allem durch die Biegefestigkeit bestimmt. 5 Während der Prüfung treten Zug-, Druck- und Scherbelastungen gleichzeitig im Prüfkörper auf. Dabei entspricht die Festigkeit eines Werkstoffs dem Widerstand, den dieser aufgrund seiner atomaren Struktur und seines Gefüges der Formänderung bzw. dem Bruch entgegensetzt. 832 Zahntech 2010;36(6):

4 Problemstellung SCIENCE Auf dem Markt werden mittlerweile zahlreiche Verblendkomposite vertrieben. Der Zahntechniker steht deshalb bei der Wahl eines Verblendkomposits vor einer schwierigen Entscheidung. Nach welchen Kriterien soll er vorgehen? In der vorliegenden Untersuchung wurde die Dreipunktbiegefestigkeit eines inhomogenen Mikrofüller-Komposits und von zwei Feinhybrid-Kompositen, alle mit verschiedenen Füllern, unterschiedlichem Fülleranteil, unterschiedlichen Matrixkomponenten und verschiedenen Aushärtungsmethoden untersucht. Methode Tabelle 2 Die Übersicht der geprüften Werkstoffe Die in dieser Untersuchung geprüften Verblendkomposite sind in Tabelle 2 aufgelistet. Die Tabelle 3 stellt die jeweilige Zusammensetzung der Komposite dar. Nach Herstellerangaben ist Sinfony ein Feinhybrid-Verblendkomposit mit geringem Füllergehalt. Gradia, ebenfalls ein Feinhybrid, zeigte aber einen sehr hohen Füllergehalt. VITAVM LC gehört zu den mikrogefüllten Verblendkompositen. VITAVM LC und Gradia gehören aufgrund der Monomerwahl sowie des hohen Füllstoffgehalts zu den sehr viskosen Kompositen (Abb. 6 und 7), während Sinfony ein niedrig viskoses Komposit ist (Abb. 8). Komposittyp Produktname Hersteller LOT Feinhybrid Sinfony 3M ESPE, Seefeld, Germany Feinhybrid Gradia GC Europe, Leuven, Belgien Mikrofüller VITAVM LC VITA Zahnfabrik, Bad Säckingen, Germany Tabelle 3 Die Zusammensetzung der Verblendkomposite nach Herstellerangaben Produktname Füller Farbe Matrix Pyrogene Kieselsäure, Strontium- Sinfony HEMA, Octahydro-4,7-methano-1Hindenediyl-bis(methylene-diacrylate) Aluminium-Borosilikatglas, A3 Glasionomer Gradia Keramik, Prepolymer SiO 2 A3 UDMA VITAVM LC Prepolymer SiO 2 3 M2 UDMA TEGDMA Abb. 6 Die Viskosität von VITAVM LC. Abb. 7 Die Viskosität von Gradia. Abb. 8 Die Viskosität von Sinfony. Insgesamt wurden 45 Prüfkörper gefertigt. Pro Verblendkuststoff wurden jeweils 15 Prüfkörper hergestellt. Dazu wurde eine spezielle teilbare Form aus nicht rostendem Stahl verwendet (Abb. 9). Der Hohlraum für den Dreipunktbiegeprüfkörper hatte dabei die Dimension 25 mm x 2 mm x 2 mm. Die jeweiligen Verblendkomposite mit der Prüfkörperherstellungsform sind in der Abbildung 10 dargestellt. Der Kunststoff wurde mit einem Spatel in die Form gestopft (Abb. 11). Dabei wurde darauf geachtet, dass die Luftblasen ausgestrichen werden. Beim Aufbringen der mit Vaseline isolierten Glasplatte auf die Stahlform wurde durch leichten Druck das überschüssige Material herausge- Zahntech 2010;36(6):

5 Abb. 9 Die Form zur Herstellung der Dreipunktbiegeprüfkörper. Abb. 10 Die verwendeten Verblendkomposite. Abb. 11 Das Stopfen des Verblendkomposits in die Prüfkörperherstellungsform. Abb. 12 Schließen der Prüfkörperform und gleichzeitiges Ausdrücken der Kompositüberschüsse und der Luftblasen. Komposite Härtung Polymerisationsgerät Polymerisationszeit Sinfony Licht ESPE Visio Alfa ESPE Visio Beta Vario 20 s 15 min Gradia Licht GC Labolight LV-III 5 min VITAVM LC Licht Hager & Werken Speed Labolight 10 min Tabelle 4 Die Polymerisationsart presst (Abb. 12). Die Polymerisation erfolgte nach Angabe des jeweiligen Herstellers. Für jedes Komposit wurde ein spezielles Polymerisationsgerät verwendet (Tabelle 4). Da das Verblendkomposit Sinfony sehr niedrig viskos ist, fand grundsätzlich eine Zwischenpolymerisation mit dem ESPE Visio Alfa-Gerät (3M ESPE) statt. Nach der Polymerisation wurden alle Pressfahnen der Prüfkörper sorgfältig mit Schleifpapier P320 nach ISO manuell bearbeitet. Bis zum Beginn der Dreipunktbiegefestigkeitsprüfung wurden die Prüfkörper sieben Tage lang dunkel und trocken bei Raumtemperatur gelagert. Vor der Messung der Festigkeit wurden Breite und Höhe des Prüfkörpers mit einer Mikrometermessschraube auf 0,01 mm bestimmt. Die Biegefestigkeit wurde im Dreipunkt-Biegeversuch geprüft. Dabei wurde eine Universalprüfmaschine (Z010 Zwick, Ulm) verwendet. Der Prüfkörper wurde auf zwei Walzen mit einem Durchmesser von 2 mm positioniert. Diese waren mit einem Abstand von 20 mm und parallel zueinander angebracht. Von oben wurde der Prüfkörper mit einem abgerundeten (d = 2 mm) Stempel axial belastet (Abb. 13). Geprüft wurde mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit von 1 mm/min. Die Belastung erfolgte bis zum Bruch. Die Biegefestigkeit wurde mit folgender Formel berechnet: = 3Fl 2bh 2 Abb. 13 Die Prüfung der Dreipunktbiegefestigkeit. 834 Zahntech 2010;36(6):

6 Dabei war s die Biegefestigkeit (MPa), F die maximal ausgeübte Kraft (N); l war die Stützweite in Millimeter, d. h. hier konstant 20 mm; b und h bestimmten die Breite (mm) und Höhe (mm) des Prüfkörpers. Die aus den Messdaten berechneten Festigkeitswerte wurden anhand von Mittelwert und Standardabweichung deskriptiv analysiert sowie mit Balkendiagrammen visualisiert. Für sämtliche Mittelwerte gilt n = 15. Alle erzielten Messwerte wurden stets berücksichtigt. Eine Ausreißerstatistik wurde nicht durchgeführt. Die statistische Auswertung bezüglich der signifikanten Unterschiede (p < 0,05) erfolgte mit ONE WAY ANOVA mit anschließendem post-hoc Scheffé Test (SPSS Inc., Chicago, Illinois, USA). Zusätzlich wurde das Gefüge der einzelnen nach Herstellerangaben auspolymerisierten Verblendkomposite unter einem Rasterelektronenmikroskop (Tescan Vega TS 5136 XM, Elektronen-Optik-Service GmbH, Dortmund) untersucht. Alle Aufnahmen wurden im Rückstreuelektronenmodus bei einer Vergrößerung von μm durchgeführt. Ergebnisse Tabelle 5 Die Biegefestigkeitswerte Die Biegefestigkeiten der drei geprüften Verblendkomposite liegen im gleichen Wertebereich bei ca. 100 MPa. Es sind keine signifikanten Unterschiede erkennbar. Die jeweiligen Mittelwerte und Standardabweichungen sind in der Tabelle 5 wiedergegeben und im Balkendiagramm (Abb. 14) dargestellt. In EN ISO 10477:2004 ist der Mindestwert der Dreipunktbiegefestigkeit mit 50 MPa angegeben. Alle hier geprüften Komposite lagen weit über diesem Grenzwert. Die Rasterelektronen-Aufnahmen der jeweils unterschiedlichen Verblendkomposite sind in den Abbildungen 15 bis 17 dargestellt. Dabei handelt es sich um Rückstreuelektronen-Aufnahmen. Rückstreuelektronen sind im Material des Prüfkörpers gestreute Primärelektronen, die die Oberfläche des Prüfkörpers erreicht haben und so zu einem sichtbaren Materialkontrast führen. Je heller die Stellen in der Aufnahme sind, desto höher ist die Ordnungszahl der jeweiligen Elemente. Gradia und Sinfony sind Feinhybrid- Verblendkomposite Gradia Vita VM Sinfony Mittelwert (MPa) 93,1 85,7 90,3 Strandardabweichungung (MPa) ±30,8 ±27,9 ±29,8 Abb. 14 Die Dreipunktbiegefestigkeit der geprüften Verblendkomposite. Dreipunktbiegefestigkeit [MPa] Gradia VITAVM LC Sinfony Zahntech 2010;36(6):

7 Abb. 15 Das Gefüge des Verblendkomposits Gradia. Abb. 16 Das Gefüge des Verblendkomposits Sinfony. Abb. 17 Das Gefüge des Verblendkomposits VITAVM LC. komposite. Auf den Abbildungen 15 und 16 sind kleinere und größere Füllstoffe in der Matrix durch die hellen und dunklen Kontraste erkennbar. Gradia ist ein hochgefülltes Komposit und weist somit auch mehr Füllstoffgehalt als Sinfony auf. Das Gefüge sieht kontrastreicher aus. VitaVM LC ist ein Mikrofüller und weist sehr kleine inhomogen verteilte Füllstoffe auf, die sich in kleinen Grüppchen anlegen. In Abbildung 17 kann man dieses gut erkennen. Die Dreipunktbiegefestigkeiten der drei untersuchten Verblendkomposite liegen weit über den Anforderungen. Stehen dem Anwender drei materialtechnisch gleichwertige Produkte zur Verfügung, spielen weitere Faktoren wie Farbqualität, Preis und Handling eine wichtige Rolle bei der Auswahl. Insbesondere durch die Viskosität und damit die Zusammensetzung der Monomere ergeben sich große Unterschiede in der Verarbeitungstechnik. Sinfony mit einem hohen Anteil an HEMA ist sehr fließfähig und lässt sich direkt aus der Kartusche auf dem Gerüst verstreichen. Damit kann sehr dünn geschichtet werden, ähnlich wie bei der Verblendung mit Keramik. VITAVM LC und Gradia sind hochviskos. Diese Komposite werden deshalb gestopft und die Inkremente mit verschiedenen Instrumenten anmodelliert. Sicherlich unterscheiden sich hier die Präferenzen des jeweiligen Anwenders. In dieser Studie wurden allerdings nur die statischen Biegefestigkeitswerte sofort nach der Herstellung geprüft. Einer künstlichen Alterung wurden die Prüfkörper nicht unterzogen. Nach der Eingliederung der Rekonstruktion beim Patienten beeinträchtigen thermische, chemische und mechanische Einflüsse in der Mundhöhle die Qualität der Verblendung. Dabei zeigt das Zusammenwirken der Belastungen gravierendere Folgen als die Summe der Einzeleffekte. 11 In der Mundhöhle kann es bei Nahrungsaufnahme zu Temperaturänderungen von ± 40 C kommen. Durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung des Gerüstwerkstoffs und des Verblendkunststoffs kommt es zur unterschiedlich starken Expansion bzw. Kontraktion der beiden Materialien. Es entsteht ein innerer zusätzlicher Stress. Dadurch kann es zur Randspaltbildung einerseits und Ermüdung und späterer Fraktur des Kunststoffs andererseits kommen. 7 Die thermisch bedingte Ermüdung wird durch Wasseraufnahme und -abgabe in den oberflächennahen Schichten noch unterstützt. Alkohol, Eugenol und Essigsäure in der Diskussion 836 Zahntech 2010;36(6):

8 Nahrung vermögen als Lösungsmittel die Acrylate zu ätzen. Zudem begünstigen sie die Bildung von Mikrorissen und damit das Eindringen von Farbstoffen in die geschädigte Oberfläche das kann zu flächenhaften Verfärbungen der Verblendung führen. 10 Schäden an Restaurationen wie Frakturen im Bereich der Verbinder, Höckerfrakturen und Abplatzungen in der Verblendung werden klinisch häufig beobachtet; 6 Bei Kunststoffverblendungen sind es häufig Abplatzungen der Verblendung und Höckerfrakturen. 2 Die heutigen Vorstellungen von der Entstehung solcher Frakturen gehen von einem Prozess in drei Phasen aus: der Initiation, der langsamen Rissausbreitung und dem schnellen Bruch. Dabei ist die letzte Phase sehr kurz, sodass insbesondere die Initiation der Mikrorisse und die langsame Rissausbreitung die klinische Überlebensdauer des Materials bestimmen. 4 Im Vergleich zu einer keramischen Verblendung haben die Verblendkomposite den Vorteil, dass sie eine einfache und schnelle Reparatur der Verblendung ermöglichen, 8 im Gegensatz zur Verblendkeramik, bei der durch Überbrennung mit deutlichen ästhetischen Einbußen gerechnet werden muss. In einer folgenden Untersuchung sollten die Faktoren der künstlichen Alterung mitberücksichtig werden. Bei der vorliegenden Untersuchung wurden jedoch nur die Initial werte ermittelt. Schlussfolgerung Danksagung Literatur Alle drei geprüften Verblendkomposite erreichen gleiche Biegefestigkeiten, unterscheiden sich aber hinsichtlich des Handlings. Gradia und VITAVM LC sind sehr hochgefüllte und damit auch sehr hochviskose Kunststoffe, während Sinfony als niedriggefülltes Komposit von der Verarbeitung her völlig anders ist. Der Zahntechniker kann sich in diesem Fall für dasjenige Komposit entscheiden, das seiner Technik entgegenkommt. Selbstverständlich sollten andere Eigenschaften wie die Haftung am Gerüstwerkstoff, Wasseraufnahme, Verfärbungsrate und Abrasionsbeständigkeit nicht außer Acht gelassen werden. Die Autoren danken den Firmen GC Europe (Leuven, Belgien), Vita Zahnfabrik (Bad Säckingen) und 3M Espe (Seefeld) für die Bereitstellung der Materialien und bedanken sich bei Frau Jacqueline Hofmann-Lobsiger, medizinische Laborantin an der Universität Zürich, für die Betreuung und Bedienung des Rasterelektronenmikroskops. 1. Asmussen E, Peutzfeld A. Influence of UEDMA, Bis-GMA and TEGDMA on selected mechanical properties of composites. Dent Mater 1998;14: Burke FJT, Wilson NHF, Cheung SW, Mjör IA. Influence of patient factors on age of restorations at failure and reasons for their placement and replacement. J Dent 2001;29; Chalifoux PR. Treatment considerations for posterior laboratory-fabricated composite resin restorations. Pract Periodontics Aesthet Dent 1998;10: Freiman SW, Murville DR, Mast PW. Crack propagation studies in brittle materials. J Mater Sci 1973;8: Göhring TN, Gallo L, Lüthy H. Effect of water storage, thermocycling, the incorporation and site of placement of glass-fibers on the flexural strength of veneering composite. Dent Mater 2005;21: Köhler B, Rasmussen C-G, Ödman P. A five-year clinical evaluation of class II composite resin restorations. J Dent 2000;28; Körber N, Ludwig K. Zahnärztliche Werkstoffkunde und Technologie. 2. Auflage. Stuttgart: Georg Thieme, 1993: Leinfelder KF. New developments in resin restorative systems. J Am Dent Assoc 1997;128; Zahntech 2010;36(6):

9 9. Li Y, Swartz ML, Phillips RW, Moore BK, Roberts TA. Effect of filler content and size on properties of composites. J Dent Res 1985;64: Marxkors R, Meiners H. Taschenbuch der zahnärztlichen Werkstoffkunde. 5. Auflage. Köln: Deutscher Zahnärzte Verlag, 2001: Moszner N, Salz U. New developments of polymeric dental composites. Prog Polym Sci 2001;125; Stawarczyk B, Fischer J, Hämmerle CHF. Scherfestigkeit von Verblendkomposits an einer CAD/ CAM CoCr-Legierung bei unterschiedlicher Oberflächenvorbehandlung. Zahntech 2008;34: Touati B, Aidan N. Second generation laboratory composite resins for indirect restorations. J Esthet Dent 1997;9: Wendt SL, Leinfelder KF. The clinical evaluation of heat treated composites. J Am Dent Assoc 1990;71: Dipl.-Ing. Bogna Stawarczyk, MSc Dr. med., cand. med. dent. Dania Gnägi Cand. med. dent. Marija Tesic-Divac Cand. med. dent. Anna Schramm Prof. Dr. med. dent. Christoph Hans Franz Hämmerle Alle: Klinik für Kronen- und Brückenprothetik, Teilprothetik und zahnärztliche Materialkunde, Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde der Universität Zürich Plattenstrasse 11, 8032 Zürich, Schweiz Bogna.Stawarczyk@zzmk.uzh.ch Adressen der Verfasser Summary In the present study the flexural strength of three resin composite veneering materials was measured. 15 specimens per material were fabricated as described DIN EN ISO Three-point bending test was performed and the flexural strength was calculated from the load at fracture. 838 Zahntech 2010;36(6):