Ein Beispiel aus der Grundlagenforschung

Untersuchung an mit Glasfaser verstärkten Wurzelkanalstiften

Anlässlich einer Diplomarbeit an einer Ingenieurfachschule startete eine „Untersuchung der adhäsiven Verbundfestigkeit verschiedener Befestigungscomposite zu glasfaserverstärkten Wurzelkanalstiften in Abhängigkeit der Stiftoberflächenkonditionierung“. Diese Darstellung soll beispielhaft einen Einblick in die Grundlagenforschung geben, die Voraussetzung für gute Qualität in der Zahnbehandlung ist.

Langzeitergebnisse haben gezeigt, dass stiftverankerte Kronen und Brücken mit Implantaten konkurrieren. In der Literatur überwiegen jedoch Wurzelstifte als Retentionshilfe festsitzender prothetischer Versorgung. In diesem Fall stellen glasfaserverstärkte Wurzelkanalstifte mit dentinähnlicher Elastizität eine ästhetische Alternative zum konventionellen Metallstift oder Stiftaufbau dar [Naumann, M. et al., 2006; Nergiz, I. et al., 2004].

Die wirkenden Kräfte auf das Zahnsystem sind nicht allein auf Zug ausgerichtet, sondern beinhalten daneben eine horizontale, eine vertikale sowie eine axiale Kraftkomponente. Während des Essens und Schluckens treten natürliche Kaukräfte auf.

Allgemein ermittelte Durchschnittswerte maximaler Belastbarkeiten, wie sie in der Literatur [Schwickerath, 1992] immer wieder zu finden sind, liegen bei Seitenzähnen zwischen 200 N und 360 N und bei Frontzähnen zwischen 190 N und 290 N. Es können jedoch doppelt so hohe Maximalkräfte erreicht werden. Generell wird beim Kauen von Nahrung eine Kraft von 2 N bis 35 N aufgewendet.

Um die von der klinischen Krone in den Wurzelstift geleiteten Kräfte gleichmäßig auf die Zahnwurzel zu verteilen, wird eine möglichst intensive Verbindung zwischen Wurzeldentin und Stift angestrebt.

Der Einfluss verschiedener adhäsiver Befestigungscomposite auf den Haftverbund faserverstärkter Wurzelkanalstifte in Abhängigkeit der Stiftoberflächenkonditionierung war bisher kaum Gegenstand von Untersuchungen. Der Schwerpunkt zahlreicher Untersuchungen liegt in der Betrachtung der Grenzfläche von Dentin zu Composite beziehungsweise der Kombination der Grenzflächen von Dentin zu Composite und Composite zu Stift (Abbildung 1), wobei die Stiftinsertion in Dentinproben erfolgt.

Ziel dieser In-vitro-Untersuchung war es, die Grenzfläche von Glasfaserstiften zu Compositen in Kombination mit verschiedenen adhäsiven Befestigungscompositen durch eine dauerhafte Oberflächenkonditionierung zu erhöhen und zugleich die Behandlungszeit sowohl für den Anwender als auch für den Patienten zu verringern.

Viele Hersteller von Wurzelstiften empfehlen vor der Insertion von Wurzelstiften den Einsatz von Silanhaftvermittlern. Werksseitig konditionierte Stifte können direkt adhäsiv befestigt werden. Die MMA-haltige Beschichtung bildet dabei mit den Monomeren des Befestigungscomposites eine chemische Einheit.

Im Rahmen dieser Untersuchung wurden die maximalen Abzugskräfte der DentinPost Coated-Stifte im Zugversuch ermittelt.

Material

In der vorliegenden Untersuchung wurde der Haftverbund zwischen beschichteten und unbeschichteten Wurzelkanalstiften zu verschiedenen adhäsiven Befestigungscompositen in einem Zugversuch ermittelt. Pro Probengruppe wurden zehn Wurzelstifte untersucht.

Für die Untersuchung wurden folgende Probengruppen verwendet:

• glasfaserverstärkte Wurzelkanalstifte ER DentinPost Coated (DPC) (Gebr. Brasseler, Lemgo, Deutschland), die Oberfläche vollständig apikal bis koronal silikatisiert, silanisiert und mit schützender Polymerschicht versehen

• unbeschichtete ER DentinPost (DP) als Kontrollgruppen Oberfläche geschliffen mit Handlingszapfen

• ER DentinPost versehen mit der „Safety Lock“-Beschichtung (DPC-SL) analog zu DT Light Post SL (VDW, München, Deutschland) (apikal komplett, koronal teilweise beschichtet), Oberfläche in einer PVD-Anlage silikatisiert, silanisiert und anschließend im Tauchverfahren mit einer transparenten, vorwiegend aus MMA bestehenden Schutzschicht abgedeckt

Als Befestigungscomposite wurden folgende Compositesysteme verwendet:

• Panavia F 2.0 (Kuraray, Okayama, Japan), ein dualhärtendes adhäsives Befestigungscomposite auf Kunststoffbasis. Das Composite härtet wahlweise anaerob (unter Ausschluss von Sauerstoff) oder durch Lichtpolymerisation aus.

• DentinBuild (Komet, Lemgo, Deutschland), ein dualhärtendes, glasfaserverstärktes Befestigungs- und Stumpfaufbaucomposite

• RelyX™ Unicem (3M ESPE, Seefeld, Deutschland), ein universales, dualhärtendes und selbstadhäsives Befestigungscomposite

Die Compositesysteme bestehen zum einen aus Phosphorsäure und Adhäsiven beziehungsweise Primer und zum anderen aus dem Composite selbst. Bei der adhäsiven Befestigung der Wurzelstifte im Wurzelkanal wurde der Wurzelkanal je nach Composite entsprechend vorkonditioniert. Bei der Anwendung von RelyX Unicem war dies jedoch nicht erforderlich, da es sich hierbei um ein selbstadhäsives Composite handelt. Bei dieser Untersuchung wurden keine natürlichen Zähne und somit auch keine Primer verwendet.

Methodik

Untersucht wurde der Haftverbund von glasfaserverstärkten Wurzelstiften zu Compositesystemen. Zur Ermittlung der maximalen Abzugskräfte wurden spezielle Probenhalter angefertigt (Abbildung 2). Ganz bewusst wurde auf die Verwendung von natürlichen Zähnen verzichtet, zum einen, da diese unterschiedliche Strukturen aufweisen, was zu Streuungen der Messergebnisse führen kann, und zum anderen, da lediglich die Haftung zwischen Wurzelstiften und den verschiedenen Compositen Gegenstand dieser Untersuchung war.

Bei den Probenhaltern handelt es sich um Metallhülsen mit einer zentral angebrachten 13 mm tiefen Bohrung. Um einen sicheren Verbund zwischen Composite und Metallhülse zu gewährleisten, wurde die Bohrung mit einem Gewinde versehen. Im unteren und seitlichen Bereich der Metallhülse befinden sich Austrittsbohrungen, die ermöglichen, dass Lufteinschlüsse entweichen können.

Untersuchung der Verbundfestigkeit Wurzelstift zu Composite

Um die Verbundfestigkeit ermitteln zu können, wurden Abzugsversuche durchgeführt. Die Verbundfestigkeit verhält sich proportional zur Abzugskraft, daher werden nachstehend immer Kräfte ausgewiesen.

Die Abzugskräfte der adhäsiv befestigten Stifte wurden im Zugversuch an einer Zugund Druck-Prüfmaschine (Typ LR 10K, Erichsen Wuppertal, Ametek Precision Instruments Europe GmbH) ermittelt. Zur Ermittlung der Abzugskräfte wurden die Prüfkörper, bestehend aus Probenhalter und adhäsiv befestigten Wurzelstiften, in der Abzugsvorrichtung positioniert. Der zylindrische Bereich der Wurzelstifte wurde mit einer Spannzange fixiert. Die Zuggeschwindigkeit betrug 0,5 mm/min und die Vorlast 30 N. Die Proben wurden bis zum Versagen des Haftverbundes von Befestigungscomposit und Stift belastet.

REM-Untersuchung

Für die optische Darstellung der beschichteten DentinPost diente das Rasterelektronenmikroskop (REM). Hierbei wurde die beschichtete Oberfläche auf mögliche Veränderungen durch die thermische Alterung beziehungsweise durch die Einsatzsimulation untersucht. Darüber hinaus erfolgte die Betrachtung der Grenzfläche beziehungsweise des Verbunds von Composite zu Stiftoberfläche.

Versuchsdurchführung

In der vorliegenden Untersuchung wurde der Haftverbund zwischen Wurzelkanalstiften und verschiedenen adhäsiven Befestigungsmaterialien unter Verwendung einer Oberflächenkonditionierung in einem Zugversuch ermittelt.

Konditionierung der Stiftoberfläche

Die DentinPost Coated (DPC) wurden durchgehend apikal bis koronal mit SiO x und SiH 4 vorkonditioniert und danach wurde eine haftvermittelnde Polymerschicht aufgetragen. Dies ermöglicht eine durchgängige Anwendung der adhäsiven Composittechnik. Der Handlingszapfen (Abbildung 4) schützt die Beschichtung vor möglicher Kontamination und bietet zugleich eine sichere Einprobe des Stiftes.

Simulationsversuche

In weiteren Untersuchungen wurden die Lagerung der Stifte sowie deren Einsatz simuliert. Hierzu wurden die Wurzelstifte thermisch sowie mechanisch gealtert. Dabei sollte festgestellt werden, wie sich die beschichteten Stifte bei Lagerung (thermische Alterung) oder beim Einsatz (mechanischer Alterung durch Dauerfestigkeitsprüfung) verhalten.

Thermische Alterung

Die thermische Alterung der beschichteten Stifte wurde von der Firma Steripac (Calw-Altburg) durchgeführt. Simuliert wurde eine beschleunigte Alterung (ein Jahr auf vier Wochen nach EN ISO 11607) im Klimaschrank nach folgender Methode:

14 Tage bei 55 (+/- 2) °C und 75 (+/- 5) Prozent relativer Luftfeuchtigkeit

2 Tage bei -20 (+/- 2) °C

14 Tage bei 55 (+/- 2) °C und 20 (+/- 5) Prozent relativer Luftfeuchtigkeit

Anschließend wurden die Stifte adhäsiv mit den oben genannten Compositen befestigt und im Zugversuch die Abzugskräfte ermittelt. Als Kontrollgruppe dienten nicht gealterte beschichtete (DPC) und unbeschichtete Wurzelstifte (DP).

Mechanische Alterung über Umlaufbiegewechsellastprüfung

Damit die Widerstandsfähigkeit der Beschichtung ermittelt werden konnte, wurden zum einen sowohl frisch beschichtete (DPC) als auch thermisch gealterte Stifte (DPC) mechanisch durch Biegewechsellasten belastet, um so den klinischen Einsatz zu simulieren. Als Kontrollgruppe dienten unbeschichtete ER DentinPost-Stifte.

Bislang existiert keine Prüfung zur Dauerfestigkeit von Wurzelstiften, somit erfolgte die mechanische Alterung anlehnend an die DIN EN ISO 14801 zur Dauerfestigkeitsprüfung für Implantate.

Die aus klinischen Untersuchungen [Edelhoff, D. et al., 2006] ermittelte Anzahl an Kauzyklen pro Jahr liegt bei etwa 240 000, wobei ein mechanisches Versagen bei prothetischen Restaurationen erst nach fünf bis zehn Jahren eintritt. In der vorliegenden Untersuchung wurde eine Belastungszeit von zwei Millionen Zyklen gewählt. Dies entspricht etwa acht Jahren im natürlichen Gebiss.

Anhand der Umlaufbiegewechsellastprüfung kann festgestellt werden, ob die Beschichtung auf den Wurzelstiften trotz Belastung haften bleibt oder ob sie zu spröde ist und sich Risse beziehungsweise Abplatzungen auf der Oberfläche bilden.

Die Prüfung erfolgte an der nebenstehend abgebildeten Anlage (Abbildung 5). Die Stifte wurden mit einer definierten Kraft in Rotation versetzt und somit rein mechanisch belastet. Die Anfangsbelastung [N] betrug 80 Prozent der Belastung, die bei der statischen Zwei-Punkt-Biegeprüfung mit derselben Prüfgeometrie zum Bruch der ER DentinPost-Stifte führte, und wurde somit bei 15 N und einer Frequenz von 16,67 Hz angesetzt.

Anhand der Ermüdungsprüfung wurde eine Wöhlerkurve erstellt, um die maximale Belastung darzustellen. Bei dieser bestanden die beschichteten Wurzelstifte zwei Millionen Belastungszyklen. Die Wurzelstifte wurden hierzu auf dem zylindrischen Bereich bei 5 mm fest eingespannt und in Rotation versetzt.

Der konische Bereich des Stiftes ist dabei in einem Kugellager geführt, das senkrecht zur Wurzelstiftachse eine umlaufende Biegewechsellast auf den Wurzelstift ausübt.

Ergebnisse

Im folgenden Kapitel werden alle Ergebnisse der Versuche zusammengetragen.

Ergebnisse nach thermischer Alterung

In Abbildung 6 sind die Abzugswerte von unbeschichteten (DP) gegenüber beschichteten (DPC) und mit der „Safety Lock“- Beschichtung versehenen DentinPost (DPC-SL) dargestellt. Je nach Composite wurde durch die Beschichtung eine bis zu 250- prozentige Erhöhung der Abzugskräfte im Vergleich zu den unbeschichteten ER DentinPost-Stiften (DP) erreicht.

Die beschichteten DentinPost-Stifte (DPC) zeigten beim Befestigen mit allen drei verwendeten Compositen nur geringe Abweichungen voneinander. Dagegen war die Abweichung beim Befestigen der unbeschichteten DentinPost-Stifte je nach Composite deutlich höher.

Der DentinPost Coated (DPC) erreichte im Vergleich zu den mit der „Safety Lock“- Beschichtung versehenen DentinPost (DPC-SL) eine um bis zu 41 Prozent höhere Haftkraft am Composite.

Die Standardabweichung (Tabelle 1) der unbeschichteten (DP) und von den mit der „Safety Lock“-Beschichtung versehenen DentinPost (DPC-SL) wiesen beim Befestigen mit Panavia F2.0 höhere Werte im Vergleich zu den mit RelyX Unicem oder mit Build-It befestigten Stiften auf. Dagegen zeigten die beschichteten DentinPost-Stifte (DPC) eine geringe Standardabweichung. Bei den einzelnen Compositen waren beim Befestigen nur geringe Abweichungen zu erkennen.

In Abbildung 7 sind die Werte der Abzugskräfte der thermisch gealterten DentinPost- (DP) und der beschichteten DentinPost-Stifte (DPC) (simulierte Lagerung von einem Jahr) aufgeführt. Die Werte unterscheiden sich nicht signifikant von denen aus Abbildung 6.

Es ist noch immer eine bis zu 130 Prozent höhere Haftkraft der beschichteten DentinPost (DPC) im Vergleich zu den unbeschichteten ER DentinPost (DP) zu erkennen. Lediglich beim Befestigen der gealterten beschichteten DentinPost-Stifte (DPC) mit Panavia F2.0 war eine tendenzielle Abnahme der Abzugskraft zu erkennen (Abbildungen 6 und 7), jedoch ist die Abzugskraft von 360 N deutlich besser als die der unbeschichteten (befestigt mit Panavia F2.0) Stifte mit 155 N. Die Werte vor und nach der Alterung bleiben im Rahmen der Standardabweichung vergleichbar. Die Standardabweichung der mit Panavia F2.0 verklebten ER DentinPost- und DentinPost Coated-Stifte (ein Jahr gealtert) ist im Vergleich zu RelyX Unicem und DentinBuild signifikant höher.

Ergebnisse nach mechanischer Alterung

Aus der Wöhlerkurve (Abbildung 8) ergab sich eine Dauerfestigkeit von 3,9 N bei zwei Millionen Zyklen, das entspricht etwa acht Jahre im natürlichen Gebiss eines Patienten, sowohl für die ER DentinPost- als auch für die DentinPost Coated-Stifte. Die gealterten DentinPost Coated-Stifte wiesen ebenfalls eine Dauerfestigkeit von 3,9 N auf. In der Literatur [Naumann, M. 2006] wird die thermomechanische Belastung auf Wurzelkanalstift und Stumpfaufbau, je nach Kausimulator, mit 1 N bis 30 N angegeben.

Bei höheren Belastungen wurden nur wenige Zyklen überstanden, da die Stifte schon nach kurzer Zeit im vorderen Bereich ausfransten oder abbrachen. Die Proben, die sich der Dauerfestigkeit näherten, überstanden nur knapp zwei Millionen Zyklen.

Die Ergebnisse der frisch beschichteten und der thermisch gealterten Stifte unterschieden sich nicht. Somit ist nachgewiesen, dass die Lagerung keine negative Auswirkung auf die Dauerfestigkeit hat.

Ergebnisse der REM-Untersuchung

In Abbildung 9 sind deutlich die Grenzflächen vom Wurzelstift zur Beschichtung und zum Befestigungscomposite zu erkennen. Die Schichtstärke beträgt etwa 25 µm und verläuft gleichmäßig zirkulär um den Wurzelstift. Die Schichtstärke wurde berücksichtigt und stellt für die Passgenauigkeit des DentinPost Coated kein Problem dar. Die Beschichtung der DT Light SL beträgt 10 ± 5 µm [Edelhoff, D. et al., 2006].

In den folgenden Abbildungen (10 und 11) werden die ER DentinPost und DentinPost Coated einander gegenübergestellt. Abbildung 10 zeigt den Verlauf der in Epoxydharz eingebetteten Glasfasern. Es ist deutlich zu sehen, dass die Glasfasern teilweise zerstört sind und aus der Matrix herausragen. Dies ist auf die Herstellung der DentinPost zurückzuführen. Die Stifte werden aus zylindrischen Rohlingen durch einen Schleifprozess in Form gebracht. Abbildung 11 zeigt die beschichtete Oberfläche des DentinPost Coated. Sowohl die Glasfasern als auch die Matrix sind nicht mehr erkennbar und durchgehend mit Körnern belegt.

Im Vergleich dazu geht aus den REM- Aufnahmen in den Abbildungen 12 und 13 hervor, dass eine Dauerbelastung (mechanische Alterung) und eine Lagerzeit von einem Jahr (thermische Alterung) keine negative Auswirkung auf die Beschichtung haben. Die Oberflächen zeigen, dass die Belegung der Körner gleichmäßig ist und das Gefüge der Beschichtung durch die Beanspruchung nicht beschädigt wurde.

Abbildung 14 stellt die Oberfläche der mit „Safety Lock“-Beschichtung versehenen DentinPost (DPC-SL) dar. Im Vergleich zum DentinPost Coated (Abbildung 11) weist die Oberfläche der „Safety Lock“-Beschichtung eine glatte Beschaffenheit auf. Die raue Oberfläche des DentinPost Coated bietet eine Erklärung für die höheren Abzugswerte, die in Abbildung 6 dargestellt sind.

Diskussion

Ziel dieser Untersuchung ist es, eine Erhöhung der Haftkraft des Composites am Wurzelstift zu erreichen. Hierzu wird eine optimale Stiftkonditionierung erarbeitet und in Abhängigkeit unterschiedlicher Befestigungscomposite auf die Wirksamkeit untersucht.

Der Anwender kann die Stiftoberfläche auch chairside konditionieren, der Beschichtungsprozess ist jedoch fehleranfällig und zeitaufwändig. Mit der haftvermittelnden Polymerschicht wird die Abzugskraft signifikant gesteigert (je nach verwendetem Composite um bis zu 250 Prozent), der Anwender kann durch den Einsatz der beschichteten Stifte die Zuverlässigkeit der Versorgung erhöhen. In der Literatur wurde zahlreich über die Verbesserung der Haftfestigkeit glasfaserverstärkter Wurzelstifte in Verbindung mit einer Oberflächenkonditionierung und entsprechenden Befestigungscompositen berichtet [Edelhoff, D. et al., 2006; Wrbas et al., 2006]. Weder durch thermische noch durch mechanische Alterung (Simulation der Lagerung beziehungsweise des Einsatzes) ist eine signifikante Veränderung der Haftkraft zu erkennen; die im Vergleich zu den mit der „Safety Lock“-Beschichtung versehenen DentinPost (DPC-SL) doppelt so breite Komet-Beschichtung gewährleistet einen dauerhaften Verbund.

Mit den von Komet beschichteten Dentin-Post (DPC) wird im Vergleich zu den mit der „Safety Lock“-Beschichtung versehenen DentinPost (DPC-SL) eine um bis zu 41 Prozent höhere Haftkraft am Composite erreicht. Klinisch gesehen sind nach Schönbrodt [Schönbrodt, M. et al., 2003] die geringeren Haftkräfte von unbeschichteten Wurzelstiften ausreichend [Naumann, M. 2006; Nergiz, I. et al., 2005]. Grundsätzlich wird eine Bruchfestigkeitssteigerung von Zähnen mit Wurzelstiften und mit einem zwei Millimeter breiten Dentinkragen oberhalb der Präparationsgrenze erreicht. Hierbei spricht man vom stabilisierenden „Fassreifen-“ oder „Ferrule-“Effekt.

Der DentinPost Coated ist sowohl im apikalen als auch im koronalen Bereich beschichtet, somit ist ein durchgängiger Haftverbund gegeben. Der Wurzelstift wird zur Einprobe mit anschließender Wischdesinfektion und zum Befestigen am unbeschichteten Handlingszapfen gehalten. Hiernach kann dieser durch leichtes Verkanten per Hand abgeknickt werden.

Ein optimaler Verbund wird unter Verwendung von DentinBuild (Komet) erreicht, da dieses Composite als Befestigungs- und Stumpfaufbaucomposite eingesetzt wird.

Zusammenfassung

Wurzelkanalstifte aus faserverstärktem Kunststoff bieten im Vergleich zu metallischen Wurzelstiften den Vorteil einer ästhetisch einwandfreien Restauration. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde der Haftverbund dreier unterschiedlicher Stiftsysteme untersucht. Dazu wurden glasfaserverstärkte Wurzelkanalstifte ER DentinPost (DP), DentinPost Coated (DPC) sowie der ER DentinPost versehen mit der „Safety Lock“-Beschichtung (DPC-SL) analog zum quarzfaserverstärktem Wurzelkanalstift DT Light SL eingesetzt. Zur Befestigung wurden drei verschiedene Compositesysteme verwendet.

Die Abzugskräfte der drei Stiftsysteme wurden in einem Zugversuch ermittelt. Hierbei wurden dualhärtende (sowohl chemisch als auch mit Licht härtende) Compositesysteme eingesetzt. Des Weiteren wurde der Einfluss der thermischen und der mechanischen Belastung auf den Klebeverbund ermittelt.

Die Untersuchungsergebnisse zeigten, dass durch die haftvermittelnde Polymerschicht der Verbund zum Befestigungscomposite deutlich besser war als bei unbeschichteten DentinPost-Stiften. Je nach Befestigungscomposite wurde eine bis zu 250-prozentige Erhöhung der Abzugskraft erreicht, die auch durch thermische oder mechanische Alterung nicht vermindert wurde.

Dipl.-Ing. (FH) Sotiria Markopoulou
Prof. Dr. Dipl.-Ing. Isabella Maria Zylla
Fachhochschule Osnabrück
Fakultät Ingenieurwissenschaften und
Informatik
Albrechtstr. 30, 49076 Osnabrück
Sotiria.Markopoulou@web.de

Dip.-Ing. Michael Krumsiek
Obere Wiesen 20
37077 Göttingen

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