Aus der Grundlagenforschung

Zugversuche an faserverstärkten Wurzelstiften

Die Endodontie gewinnt im Sinne des Zahnerhalts immer mehr an Bedeutung. Damit verbunden ist auch die Qualität der Materialien, die zur endodontischen Versorgung Anwendung finden. In der vorliegenden Untersuchung wurde der Verbund von Glas- und Karbonfaserstiften und dem Befestigungskomposit Panavia F im Zugversuch getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Einsetztiefe von Glasfaserstiften auch bei adhäsiver Eingliederung signifikanten Einfluss auf deren Retention besitzt.

Endodontisch behandelte Zähne mit weitreichender Destruktion der klinischen Krone benötigen Stiftstumpfaufbauten, um der Kronenrestauration ausreichenden Halt zu geben [16]. Bei der Verwendung von Stiftmaterialien, die einen vom Dentin weit abweichenden Elastizitäts-Modul (E-Modul) besitzen (zum Beispiel Stifte aus Metall und Zirkonoxidkeramik), treten hohe lokale Spannungen auf, die häufig eine Fraktur der Zahnwurzel zur Folge haben [1, 11].

Seit den 90er-Jahren fanden aufgrund dieser Problematik faserverstärkte Stifte (Faserstifte) großes Interesse in der Zahnmedizin. Faserstifte besitzen einen dentinähnlichen E-Modul, sodass eine gleichmäßigere Kraftübertragung bei Belastung entsteht [10]. Die adhäsive Befestigung der Stifte unterstützt die gleichmäßige Verteilung der Belastung [13]. In zahlreichen Untersuchungen zeigten Faserstiftsysteme eine höhere Bruchresistenz als herkömmliche metallische Stiftsysteme [1, 4, 12].

Die Rekonstruktion der klinischen Krone mittels eines Stiftstumpfaufbaus ist oft auch bei der Versorgung mit kombiniertem Zahnersatz notwendig. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie belastbar der Verbund zwischen Komposit und Faserstift auf Zugkräfte ist. In einer vorausgegangenen Untersuchung wurden Metall-, Zirkonoxidkeramik- und Faserstift-Systeme auf Scherbelastung getestet [2]. Cytec blanco Glasfaserstifte und Cytec carbon Karbonfaserstifte (Hahnenkratt GmbH, Königsbach-Stein, D.) erzielten dabei die höchsten Scherbelastungswerte. Für vorliegende Untersuchungen wurden die gleichen Glas- und Karbonfaserstift-Systeme auf Zug geprüft. Die Einsetztiefe betrug 7,0 mm. Für die Glasfaserstifte wurde zusätzlich eine Einsetztiefe von 10,0 mm mit in die Untersuchungen aufgenommen.

Material und Methode

In drei Versuchsreihen werden Cytec blanco Glasfaserstifte mit 7,0 mm (Glas7) und 10,0 mm (Glas10) Einsetztiefe, sowie Cytec carbon Karbonfaserstifte mit 7,0 mm Einsetztiefe (Karbon7) untersucht (Tabelle 1). Sowohl die Glasfaser- als auch die Karbonfaserstifte sind aus longitudinal parallel angeordneten Fasern in einer Epoxidharzmatrix aufgebaut. Die Faserstifte sind 20,0 mm lang und zylindrokonisch geformt. Die Stiftköpfe sind mit flachen Einkerbungen, der apikale Stiftanteil mit spiralförmigen Abflussrillen versehen, die eine Dekompression bei Insertion sicherstellen (Abbildung 1). Der zervikale Durchmesser der in der Untersuchung verwendeten Faserstifte beträgt 1,8 mm, der apikale 1,03 mm (Tabelle 2). Zu den angebotenen vier Cytec Stiftgrößen gehören ein universal einsetzbarer Pilotbohrer (Kanalerweiterer), sowie jeweils ein Kalibrierbohrer. Für die Verankerung der Stifte wurden Kunststoff-Blöcke aus kaltpolymerisierendem Kunststoff auf Basis von Methylmethacrylat (Technovit 4004, Heraeus Kulzer, Hanau, D.) hergestellt. In den Blöcken wurden artifizielle Wurzelkanäle angelegt. Hierzu fand mittels eines Parallelfräsgerätes (Typ F1, Degussa, Frankfurt, D.) eine senkrechte Bohrung mit den Kalibrierbohrern bis zu einer Tiefe von 7,0 mm beziehungsweise 10,0 mm statt. Die Kanalwandung wurde mit einem Diamantbohrer angeraut. Nach dem Entfetten der Kanäle und der Stifte mit Alkohol, wurden die Stifte mit dem All-in-one Adhäsiv-System ED Primer (Kuraray, Osaka, J.) beschickt. Das füllstofffreie Adhäsiv diente einer besseren Benetzung der Stiftoberfläche und wurde nach dem Auftragen auf die Stifte dünn ausgeblasen. Es schloss sich das Anmischen des Panavia F (Kuraray, Osaka, J.), dem dazugehörigen dualhärtenden Befestigungskomposit auf Bis-GMA Basis im Verhältnis 1:1 für 20 Sekunden an. Mittels eines Lentulos wurde das Panavia F in die Kanäle eingebracht und auf den Stiften verteilt. Es folgte das Einsetzen der Stifte in langsamer, pumpender Weise. Überschüsse wurden entfernt. Die Aushärtung erfolgte mit UV-Licht und unter Sauerstoffausschluss. Die Proben wurden in die untere Halterung der Zugvorrichtung eingespannt und der obere Anteil der Vorrichtung so positioniert, dass der Stiftkopfbereich mit Technovit 4004 (Heraeus Kulzer, Hanau, D.) eingebettet werden konnte (Abbildung 2). Die Proben wurden in der Prüfvorrichtung (Zwick/Roell, Ulm, D.) bis zum deutlichen Kraftabfall auf Zug belastet. Die Prüfgeschwindigkeit betrug 2 mm/min. Anschließend erfolgte eine mikroskopische Analyse (Stereomikroskop DRC, ZEISS, Jena, D.) der Stiftoberflächen und der Wandungen der artifiziellen Kanäle bei achtfacher Vergrößerung. Mithilfe des U-Testes von Mann und Whitney (1947) wurde auf signifikante Unterschiede (Irrtumswahrscheinlichkeit p < 0,05) untersucht.

Ergebnisse

Die Mediane der ermittelten Zuglastwerte sind für das System Glas7 419,7 N, für das System Glas10 602,0 N und für das System Karbon7 542,3 N (Tabelle 3). Die grafische Darstellung der Werte ist in Abbildung 3 zu finden. Die Zuglastwerte von 7,0 mm und 10,0 mm tief eingesetzten Glasfaserstiften (Glas7; Glas10) und die Zuglastwerte von 7,0 mm tief eingesetzten Glasfaser- und Karbonfaserstiften (Glas7; Karbon7) unterscheiden sich signifikant voneinander (Tabelle 4).

Zwischen den Werten der Systeme Glas10 und Karbon7 traten keine Signifikanzen auf. Die Abflussrillen der Stifte waren mit Zement gefüllt. Die Stiftoberflächen und die aufgetrennten Wurzelkanäle wiesen Zementreste auf.

Diskussion

Ziel dieser Untersuchung war die vergleichende Prüfung von Glasfaser- und Karbonfaserstiften und dem zur Befestigung empfohlenen Komposit Panavia F, sowie die Prüfung des Einflusses der Einsetztiefe auf die Retention der Stifte. Um ein möglichst einheitliches Versuchsdesign zu gewährleisten, wurden artifizielle Wurzelkanäle in Technovit 4004 angelegt. Große Streuungen der Messwerte, wie sie bei der Verwendung von natürlichem Zahnmaterial zu erwarten sind, konnten so vermieden werden [6].

Cytec blanco Glasfaser- und Cytec carbon Karbonfaserstifte haben das gleiche Design und die gleichen Abmessungen. Trotzdem konnten bei einer Einsetztiefe von 7,0 mm signifikant höhere Zuglastwerte für Karbonfaserstift-Proben festgestellt werden (Tabelle 4). Es muss folglich eine bessere Verhaftung zwischen Panavia F und den Karbonfaserstiften bestanden haben. Eine vermutbar schlechtere apikale Aushärtung des Panavia F bei den Karbonfaserstift-Proben aufgrund fehlender Lichtleitung der Stifte bestätigte sich nicht. Die Materialeigenschaften der Stifte sind durch die Faserart und -güte, den Faseranteil, sowie die Zusammensetzung der Matrix gekennzeichnet [5, 7]. Laut Herstellerangaben weisen beide Stifte einen Faseranteil von 63 Vol% auf und die Epoxidharzmatrix beider Stifte ist identisch. Einfluss auf die Ergebnisse können folglich nur die Fasereigenschaften und ihr Verbund in der Matrix genommen haben. Glasfasern besitzen eine hohe Zugfestigkeit und chemische Beständigkeit, allerdings sind sie relativ spröde. Triolo (1999) stellte eine zweimal so hohe Sprödigkeit wie bei Karbonfasern fest. Die Matrix der Stifte besitzt eine geringe Viskosität, sodass es zu Faserverschiebungen bei Belastung kommt [10]. Werden die Weg-Kraft Diagramme der Proben gegenübergestellt, ist ein unterschiedlicher Anstieg der Zugbelastungskurven von Karbonfaserstift-Proben und Glasfaserstift-Proben erkennbar. Der zurückgelegte Weg für einen Kraftanstieg von 200 N auf 380 N ist für Glasfaserstifte signifikant kürzer als für Karbonfaserstifte. Die höhere Dehnbarkeit der Karbonfasern stellt eine gleichmäßigere Kraftverteilung innerhalb des Stiftes und des Stiftsystems sicher. Der Verbund von Komposit und Stift wurde somit gleichmäßiger beansprucht und das System Karbon7 erreichte höhere Zuglasten als das System Glas7. Die Ergebnisse stehen im Einklang mit den vorausgegangenen Bruchbelastungsuntersuchungen [2]. Beide Untersuchungen bestätigen, dass Karbonfasern zu einer gleichmäßigeren Kraftverteilung innerhalb des Systems führen und höhere Belastungswerte mit diesem System erzielt werden. Weiter ist den Ergebnissen zu entnehmen, dass auch die Einsetztiefe Einfluss auf die Beständigkeit gegen abziehende Kräfte besitzt [3]. Dies liegt einerseits in einer größeren Verbundfläche begründet, andererseits ist bei den zylindrokonischen Stiften bei tiefer Insertion ein größerer Teil des zylindrischen Stiftanteils in die Verankerung einbezogen. Ein größerer parallelwandiger Anteil bedeutete schon bei konventioneller Zementierung stets eine größere Retention [8, 14, 15, 17], sodass auch hierüber die Zugwiderstände höher gelegen haben könnten. Die höheren Zuglastwerte bei tieferer Insertion der Stifte wurden vermutlich auch über eine größere Fassung von Abflussrillen erreicht. Die Abflussrillen fungieren dabei als Makroretentionen [19]. Trotz der geringer werdenden Bedeutung von Stiftlänge und Form durch den Einsatz von Adhäsivsystemen, muss festgestellt werden, dass die Stiftlänge beziehungsweise ihr Design weiterhin eine bedeutende Rolle bei der Versorgung mit postendodontischen Aufbauten spielt.

Schlussfolgerung

Cytec carbon Faserstifte weisen bessere Verbundeigenschaften als Cytec blanco Faserstifte zum Komposit Panavia F auf. Die tiefere, adhäsive Insertion von Glasfaserstiften bewirkt eine signifikant höhere Zugbelastbarkeit. Festzuhalten ist, dass die ermittelten Zuglastwerte von Cytec blanco und Cytec carbon Faserstiften mehr als 100 Prozent über den für die Versorgung mit künstlichen Kronen geforderten Werten liegen [9]. Die höheren Zugbelastungen bei Versorgung mit kombiniertem Zahnersatz ist jedoch zu berücksichtigen.

Zusammenfassung

Der Verbund von Glas- und Karbonfaserstiften und dem Befestigungskomposit Panavia F wurde im Zugversuch getestet. Hierzu wurden Glasfaserstifte 7,0 und 10,0 mm tief, Karbonfaserstifte 10,0 mm tief in artifizielle Wurzelkanäle eingesetzt. Die 10,0 mm tief eingesetzten Glas- und die 7,0 mm tief eingesetzten Karbonfaserstifte weisen keinen signifikanten Unterschied untereinander auf (Glas10: 602,0 ± 141,1 N; Karbon7: 542,3 ± 66,6 N). Die Zuglastwerte von 7,0 mm tief eingesetzten Glasfaserstiften sind signifikant niedriger (Glas7: 419,7 ± 68,2 N). Die Einsetztiefe von Glasfaserstiften besitzt auch bei adhäsiver Eingliederung signifikanten Einfluss auf deren Retention.

Dr. Katrin Babenhauserheide
Prof. Dr Wolfgang B. Freesmeyer
CharitéCentrum 3 Klinik und Poliklinik für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde Abteilung für restaurative Zahnmedizin, Alterszahnmedizin und Funktionslehre
Aßmannshauserstr. 4-6
14197 Berlin
katrin.babenhauserheide@charite.de

Stift-material

Proben-abkürzung

Stift (Fabrikat)

Durch-messer

Einsetztiefe koronal [mm]

Befestigung

Glasfaser-

verstärkter

Kunststoff

Glas7

Cytec blanco

1,8 mm

7,0 mm

Panavia F

Kuraray

Glas10

Hahnenkratt

GmbH

10,0 mm

Karbonfaser-

verstärkter

Kunststoff

Karbon7

Cytec carbon

07,0 mm

Hahnenkratt

GmbH

Größenangebot von Cytec blanco und Cytec carbon Stiften

Durchmesser

zervikal [mm]

1,2

1,4

1,8

 

2,2

 

apikal [mm]

0,65

 

0,83

1,03

1,23

 

Länge [mm]

20,0

20,0

20,0

20,0

 

System

Median [N]

s [N]

x min [N]

x max [N]

Glas7

419,7

68,2

387,8

598,5

Glas10

602,0

141,1

319,1

761,1

Karbon7

542,3

66,6

438,4

648,9

System

Glas7

Karbon7

Glas7

Signifikant*

 

Glas10

Signifikant*

nicht signifikant

* Irrtumswahrscheinlichkeit p < 0,05

 

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