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01.04.03 / 00:09
Heft 07/2003 Titel
Fortbildungsteil 1/2003

Titan und Titan-Legierungen




Metalle und Legierungen spielen aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit eine wesentliche Rolle in der restaurativen Zahnheilkunde. Allerdings können, je nach Legierungstyp, durch bestimmte herausgelöste Metallionen Unverträglichkeitsreaktionen verursacht werden [20].

Zur Erfüllung der Forderung nach Verträglichkeit bei gleichzeitig günstigem Preis-Leistungsverhältnis bieten sich alternativ Titan und seine Legierungen als korrosionsbeständige und biokompatible Werkstoffe an.

Titan, entdeckt von Gregor 1791 beziehungsweise Klaproth 1795, ist ein noch junger Werkstoff, der erst Anfang der 50er Jahre zur industriellen Anwendung kam. Der Grund liegt darin, dass Titan eine hohe Affinität zu Sauerstoff und Stickstoff hat und es erst 1938 gelang, Titan technischer Reinheit durch Reduktion (Kroll-Verfahren) herzustellen (ausführliche Darstellungen siehe bei Zwicker [23]).

Mittlerweile ist Titan aus vielen Bereichen, von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Medizintechnik [3] nicht mehr wegzudenken. Beispiele sind: Gelenkersatzteile für Hüfte, Knie, Schulter, Wirbelsäule, Ellbogen und Hand, Fixiermaterialien für Knochen, wie Nägel, Schrauben, Muttern und Platten, Herzschrittmachergehäuse und künstliche Herzklappen, chirurgische Instrumente, Bauteile in schnell laufenden Blutzentrifugen, enossale Implantate (Produktübersicht siehe [11]), Osteosyntheseplatten und -schrauben, bis hin zu Befestigungselementen in der Epithetik, Brackets und Drähten oder kompletten Unterkiefern (Abb. 1). In der Zahnheilkunde kann man unterscheiden zwischen industriell vorgefertigten Titankomponenten einerseits (wie Implantate), sowie individuell angefertigten Komponenten mittels Gusstechnik oder CAD/CAM-Verfahren andererseits. Ausführliche Übersichtsdarstellungen zum Einsatz von Titan in der Zahnmedizin können beispielsweise bei Wirz [21] und Lenz [14] nachgelesen werden.

Der Vorteil der CAD/CAM-Verfahren liegt darin, dass nach dem Digitalisieren und Gestalten der Konstruktion als Fräsgrundlage werkstoffkundlich optimale Titan-Rohlinge zum Einsatz kommen. Es bietet sich hier die Möglichkeit, prinzipiell auch Titanlegierungen verwenden zu können, die gusstechnisch Probleme bereiten. Die Frage, wie Titan verarbeitet werden sollte – gegossen oder gefräst – kann so beantwortet werden, dass gefräste Arbeiten eine optimale Mikrostruktur aufweisen und somit qualitativ (zum Beispiel hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften) den gegossenen Arbeiten überlegen sind [1].

Insbesondere die Beherrschung der Gusstechnologie erfordert aufgrund der hohen Schmelztemperatur (1668°C) und Reaktivität der Titanschmelze spezielle Anlagen und Einbettmassen. Seit der Entwicklung erster Lichtbogen- Schmelzanlagen für den Vakuum- Druckguss unter Luftabschluss und Argon- Schutzgas und der Erprobung erster spezieller Einbettmassen Ende der 70er Jahre in Japan sowie der kommerziellen Einführung in Deutschland 1987, hat die dentale Titan-Gusstechnologie heute einen hohen und ausgereiften Entwicklungsstand erreicht und ist bei systemkonformem Vorgehen problemlos anwendbar [8]. Die in den Anfängen der Entwicklung relativ dicke Aufhärtungszone (á-case) an der Titanoberfläche mit festigkeitsmindernden Mikrorissen [4] ist heute durch die modernen Gießanlagen und Einbettmassen auf eine nur noch dünne Zone reduziert [14], die ohne Schwierigkeiten mechanisch durch Abstrahlen oder unterstützend chemisch abgetragen werden kann, so dass bei korrektem Vorgehen deformationsfreie Oberflächen erreicht werden können. Diese Entwicklung brachte auch mit sich, dass die Bearbeitung und Politur des Titans weniger aufwändig wurde.

Von den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Titans (Tab. 1) kann als Besonderheit seine gute Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität genannt werden.

Titan bildet im Kontakt mit Luft, Wasser oder auch Körperflüssigkeiten spontan eine dünne Oxidschicht. Diese kompakte und homogene Passivschicht schützt das Titan vor weiterer Auflösung, was durch Korrosionsprüfungen nach ISO 10271 belegt werden kann (siehe Abb. 2). Bei mechanischer Zerstörung der Passivschicht (zum Beispiel durch Reibung beim Kauen) wird diese innerhalb von Millisekunden wieder erneuert; man spricht hier von Repassivierung [5]. Lediglich gegenüber Fluorbestandteilen in Prophylaxe-Präparaten mit niedrigem pHWert sind Korrosionserscheinungen zu erwarten [19].

Bisher gibt es keine wissenschaftlich abgesicherten Belege für Unverträglichkeiten von Titan. Die Körperverträglichkeit von Titan wird durch die chemische Inertheit seines Oxids und dessen elektronische Eigenschaften (Titandioxid ist ein Halbleiter) erklärt.

Zur Prüfung der Biokompatibilität der Legierung werden üblicherweise Zytotoxizitätstests nach ISO 10993-5, wie der Direkt-Kontakt- Test und der Test an Extrakten (XTTTest) benutzt. Führt man solche Tests durch, zeigen Ti-6Al-4V und Ti-6Al-7Nb unter den getesteten Bedingungen keinen zytotoxischen Effekt (siehe Abb. 3), das heißt die Zellvitalität liegt in allen Fällen bei 100 Prozent.

Durch seine geringe Dichte von 4,5 g/cm3 ist Titan zirka viermal leichter als Gold (19,3 g/cm3), was für den Patienten bei großvolumigen Arbeiten einen angenehmeren Tragekomfort mit sich bringt. Jedoch werden andererseits technologisch aufgrund der geringen Dichte des Titans Gießanlagen mit hohen Kräften benötigt, um ein gutes Formfüllvermögen zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil des Titans ist seine niedrige Wärmeleitfähigkeit, die nur geringe thermische Irritationen verursacht, sowie seine Röntgendurchlässigkeit, wodurch die Gussqualität (zum Beispiel hinsichtlich Gaseinschlüssen) im Rahmen der Qualitätssicherung dokumentiert werden kann, aber auch zur Kariesdiagnostik oder Prüfung der Passung genutzt werden kann.

Die Mechanismen der Plaqueanlagerung auf zahnärztlichen Materialien sind komplex und werden unter anderem von der Güte der Oberflächenpolitur beeinflusst. Titan kann einerseits aufgrund seiner Weichheit bei mechanischer Beanspruchung und andererseits durch seine chemische Anfälligkeit gegenüber Fluoriden (im sauren Milieu) aufgeraut werden, was möglicherweise zu einer verstärkten Plaquebelagbildung führen kann.

Bei Keramikverblendungen können nur niedrig schmelzende Massen verwendet werden, da Titan bei der Abkühlung bei 882°C eine mit einer Volumenänderung einhergehende Phasenumwandlung vom kubisch raumzentrierten â-Ti in hexagonales á-Ti durchläuft.

Titan technischer Reinheit, zumeist bezeichnet als cp Ti (commercially pure), hat die Nachteile einer im Vergleich mit konventionellen Legierungen niedrigen mechanischen Festigkeit, schwierigeren Polierbarkeit und geringeren Verschleißbeständigkeit. Bezüglich der Festigkeit wird durch den Sauerstoff- und Stickstoffgehalt als Legierungsbestandteile die Dehngrenze von Titan erhöht, während die Duktilität abnimmt. Aufgrund dieses Zusammenhanges wird Titan üblicherweise in Grad 1 bis 4 unterteilt (Tab. 2). Zumeist werden Titan-Gussplättchen nach Grad 1 verwendet, da während der Schmelzphase in Spuren restliche Luftund Einbettmassenbestandteile aufgenommen werden und das gegossene Titan somit hinsichtlich seiner Eigenschaften in der Gradeinteilung nach oben verschoben wird. Um bei weitspannigen Brücken im Seitenzahnbereich aus cp Titan Ermüdungsbrüche möglichst zu vermeiden, bietet sich als Weiterentwicklung der Einsatz von Titanlegierungen an.

Titan-Legierungen sind (á+â)-Mischkristall- Legierungen, die gegenüber cp Titan deutlich höhere Festigkeitswerte aufweisen. Der gebräuchlichste Vertreter der Titanlegierungen mit etwa 50 Prozent des Gesamtanteils der industriellen Nutzung ist Ti-6Al-4V. Da das in dieser Legierung enthaltene zytotoxische Vanadium in Hinsicht auf eventuelle Unverträglichkeitsreaktionen kritisch betrachtet wird, wurde das Vanadium in gleichem Atomprozentanteil durch das Element Niob substituiert, sodass damit die Legierung Ti-6Al-7Nb ohne biologisch kritische Bestandteile (wie auch Ti-5Al-2,5Fe) mit vergleichbaren Festigkeitseigenschaften (siehe Tab. 3) zur Verfügung stehen. Beide Legierungen kamen bereits Anfang der 80er Jahre für Hüftgelenke zum Einsatz.

Mit entsprechend ausgelegten modernen Lichtbogen-Titan-Gießanlagen und reaktionsträgen MgO-ZrO2-Einbettmassen können auch Titanlegierungen wie Ti-6Al-7Nb und Ti-6Al-4V mit einem im Vergleich zu cp Titan vergleichbaren Qualitätsstandard gegossen werden, was durch den Ausfließtest nach Meyer mit 100 Prozent belegt werden kann [22]. Die Legierung Ti-5Al-2,5Fe hingegen zeigt jedoch bei den derzeitigen Anlagen ein noch unbefriedigendes Ausfließverhalten. Mittlerweile gibt es für den Titanguss auch Einbettmassen, die in etwa 30 Minuten im Speedverfahren, ähnlich wie bei konventionellen phosphatgebundenen Einbettmassen, zeitsparend unter Zuhilfenahme einer Mikrowellenbehandlung verarbeitet werden können [16]. Aufgrund der höheren Viskosität der Schmelze von Titanlegierungen scheinen kleinvolumige gasdichte Einkammer-Gießanlagen, die unter Schutzgas bei geringem Druck aufschmelzen (Verdrängung von Sauerstoff) und unter hohem Argon-Druck bei Verwendung eines kurzen Weges (andere Aufwachsung) gießen, von Vorteil zu sein. Als Favorit unter den Titanlegierungen gilt derzeit das Ti-6Al-7Nb, wie es beispielsweise von den Firmen Girrbach und Schütz angeboten wird. Die Legierung ist für chirurgische Implantate genormt (DIN ISO 5832-11 [10]) und hat gegenüber cp Ti eine etwa doppelt so hohe Dehngrenze, wodurch grazile Konstruktionen etwa in der Implantatprothetik ermöglicht werden [13].

Die Güsse aus Ti-6Al-7Nb zeigen eine zum Rand hin feiner werdende lamellare Gefügestruktur und sind bis zur Oberfläche homogen, wie das REM-Bild (Abb. 4) belegt.

Die höhere Festigkeit von Ti-6Al-7Nb eröffnet gegenüber cp Ti die Anwendung für klammerverankerte gegossene Teilprothesen, da die Titanlegierung hinsichtlich der Forderung nach einer möglichst hohen elastischen Verformbarkeit bei ausreichendem Verformungswiderstand dem cp Ti überlegen ist [15]. Auch hinsichtlich der Federkraft gegossener Klammern zeigt Ti-6Al-7Nb bei fehlerfreien Güssen keine Ermüdung. Die Abb. 5 zeigt die mittlere Klammerabzugskraft bei bis zu 14 000 in einer servopneumatischen Prüfvorrichtung simulierten Entnahmezyklen, was einer Gebrauchsdauer von etwa neun Jahren entspricht [18].

Bei der Gestaltung teleskopierender Prothesen bietet die Kombination Galvano-Titan eine Alternative zum Einstückgussverfahren, um biokompatiblen Zahnersatz anzufertigen, wobei die Primär- und Tertiärkonstruktion aus Titan und die Sekundärkronen aus Galvanogold bestehen [6, 7]. Durch das direkte Aufgalvanisieren auf die Titan-Primärkronen einerseits und das Einkleben der Galvano- Sekundärteile in die Titan-Tertiärteile im Patientenmund andererseits wird eine spannungsarme und passgenaue Konstruktion möglich.

Bei Kronen und Brücken hat sich hinsichtlich der angestrebten Ästhetik eine Präparationsdicke von etwa einem Millimeter mit Hohlkehle bewährt. Zur Befestigung werden fluorfreie Phosphatzemente verwendet. Bei der Modellation empfiehlt es sich, eine Wandstärke von mindestens 0,5 Millimetern vorzusehen, um einerseits ein optimales Ausfließen zu gewährleisten und um andererseits titantypische Verluste beim Ausarbeiten (Abstrahlen des Rohgusses, Ausstrahlen von Kronen nach dem Glanzbrand) zu berücksichtigen. Eine übermäßige Aufrauung der Oberfläche wird durch spezielle Verfahren, wie Shot-Peening, vermieden.

Mit dem Titanguss können alle Möglichkeiten in der Gestaltung von Konstruktionen in der Kronen-, Brücken-, Inlay-, Modellguss-, Teleskop- und Implantattechnik angewandt werden. In Kombination stehen auch diverse vorgefertigte Teile aus Titan, zum Beispiel Retentionselemente, zur Verfügung.

In der Implantatprothetik stellt die Verwendung von Titan(legierungen) für Suprakonstruktionen eine konsequente Umsetzung des Monometall-Konzeptes (ein Metall in einem Mund) zur Vermeidung galvanischer Zellen dar. Um dies zu ermöglichen, stehen für die verschiedenen Systeme entsprechende ausbrennbare Technikformteile zur Verfügung. Dies beinhaltet sowohl verschraubte beziehungsweise zementierte festsitzende Konstruktionen aus Titan als auch Teleskope und Stegkonstruktionen mit aktiven Retentionselementen. Da Titan nicht angussfähig ist, eröffnet die Kombination Galvano-Titan interessante Möglichkeiten zur vereinfachten Fertigung etwa von präzisen implantatgetragenen stegretinierten Prothesen [17]. Auch titangekapselte Magnete werden zunehmend als selbstzentrierende Verankerungselemente mit definierter Retentionskraft verwendet. Unter den Fügetechniken hat sich bei Titan das Laser-Schweißen etabliert. Damit lassen sich dem Guss ebenbürtige hohe Verbundfestigkeiten erzielen. Insbesondere werden hierbei durch den Verzicht weiterer Metallkomponenten (wie beim Löten erforderlich) biologisch unbedenkliche Fügequalitäten realisiert. Titan ist aber auch aufgrund seiner Oxidschicht im Vergleich mit Goldlegierungen für die Klebtechnik gut geeignet. Insbesondere können Tertiärstrukturen durch Kleben im Patientenmund spannungsarm eingegliedert werden. Aber auch in der Hybridprothetik können metallisch verschiedene Verankerungselemente spannungsarm verklebt werden, wodurch metallischer Direktkontakt vermieden und damit das Risiko von Kontaktkorrosion reduziert wird. Da der Guss von Präzisionsgeschieben aus Titan für kombiniert festsitzend herausnehmbaren Zahnersatz kritisch zu sehen ist [9], empfiehlt es sich industriell gefertigte Geschiebe zu lasern oder zu kleben. Auch individuelle Verankerungen mit Riegeln und Friktionsstiften sind möglich, da sich Titan gut mit der Funkenerosion nach Rübeling bearbeiten lässt [21].

Unverblendet entspricht das ästhetische Erscheinungsbild der silbergrauen Farbe von edelmetallfreien Palladium- oder Silberbasis- Legierungen. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften von cp Ti (siehe Härte) treten kaum Antagonistenschädigungen auf. Titan kann keramisch oder mit Kunststoff verblendet werden. Die problematische übermäßige Bildung von Oxidschichten in der metallkeramischen Grenzfläche beim Keramikbrand wird durch die aktuellen Bonder und Keramikmassen unterbunden, so dass der Titan/Keramik-Verbund heute als sicher gilt [8]. Das beim Keramikbrand an der Kroneninnenfläche entstandene Oxid muss aus Passungs-/Befestigungsgründen entfernt werden.

Bei keramisch verblendeten Titan-Legierungen mit ihrem gegenüber cp Ti etwas höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten liegen noch keine Langzeiterfahrungen vor. Hier müssen noch die Ergebnisse entsprechender klinischer Verlaufsbeobachtungen (Abb. 6 und 7) abgewartet werden [2].

Zusammenfassung

Die Titan-Technologie hat heute einen Entwicklungsstand erreicht, der alle Indikationen der Inlay-, Kronen-, Brücken-, Kombi- sowie Implantatprothetik bis hin zu gegossenen Stiftaufbauten abdeckt. Die zur Verfügung stehenden Titan-Keramikmassen erfüllen höchste ästhetische Ansprüche. Die Verwendung von Titan ermöglicht es, Zahnersatz mit einem günstigen Preis- Leistungsverhältnis bei größtmöglicher Verträglichkeit anzubieten.

Insbesondere die neuerdings gusstechnisch zur Verfügung stehenden Titan- Legierungen, wie Ti-6Al-7Nb, bieten eine höhere mechanische Festigkeit bei gleich guter Verträglichkeit, so dass Titan-Legierungen eine interessante Alternative zu Reintitan für die Zukunft darstellen.

Prof. Dr. Jürgen Geis-Gerstorfer
Zentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Sektion Medizinische Werkstoffkunde und Technologie
Osianderstr. 2-8
72076 Tübingen
E-Mail: juergen.geis-gerstorfer@uni-tuebingen.de
http://www.medizin.unituebingen.de/zzmk/mwt


Tab. 1: Physikalisch-chemische Eigenschaften von Titan
Ordnungszahl im Periodensystem 22
Zusammensetzung technisch reines Titan (cp Ti) 99,5–99,7 %
Dichte 4,5 g/cm3
Zugfestigkeit 730–880 MPa
Elastizitätsmodul 90–100 GPa
Bruchdehnung 15–20 %
Härte 180–250 HV
Gitterumwandlung (α-/β-Ti) 882°C
Schmelzpunkt 1 668°C
Siedepunkt 3 620°C
Elektrischer Widerstand 47–55 μΩ cm
Thermischer Ausdehnungskoeffizient 9,6 x 10-6 K-1°C
Wärmeleitfähigkeit 0,04 cal/cm s °C


Tab. 2: Einteilung der Titantypen nach DIN 17851


Tab. 3: Mechanische Eigenschaften gegossener Titanlegierungen (aus [22])
Ti-6Al-4V Ti-6Al-7Nb Ti, Grad 1 Ti, Grad 2
0,2 % Dehngrenze [MPa] 840 880 420 440
E-Modul [GPa] 110 112 90 100
Bruchdehnung [%] 8 7 15 10



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