Kleine Werkstoffkunde für Zahnärzte – Teil 1

Polymerbasierte CAD/CAM-Kunststoffe

Die Zahl der dentalen Werkstoffe steigt, digitale Techniken eröffnen zusätzliche Therapiealternativen. Wer die neuen Materialien nutzen will, muss sich mit ihren Eigenschaften, Chancen und Limitierungen auskennen. In einer vierteiligen Serie stellen die Autoren verschiedene Werkstoffgruppen vor. Teil 1: polymerbasierte CAD/CAM-Kunststoffe.

Abbildung 1: PAEK-Rohlinge Bogna Stawarczyk

Polymerbasierte Kunststoffe sind in der Zahnmedizin seit Jahrzehnten als Füllungsmaterialien, Prothesen, Schienen, Befestigungskomposite oder Fissurenversiegler im Einsatz. Durch verschiedene Verfahren können die Anwendungsmöglichkeiten der Polymere in der Zahnmedizin deutlich erweitert werden. Kunststoffe können subtraktiv (CAD/CAM-Fertigung: Fräsen, Schleifen), durch Umformung (Pressen) oder in unterschiedlichen Verfahren additiv (umgangssprachlich 3-D-Druck) gefertigt werden [Rosentritt et al., 2018]. 

Da polymerbasierte CAD/CAM-Rohlinge für die subtraktive Fertigung industriell unter erhöhter Temperatur und hohem Druck hergestellt werden, weisen CAD/CAM-Komposite im Vergleich zu chemisch beziehungsweise lichthärtenden Kompositmassen (zum Beispiel Füllungsmaterialien) eine optimierte Homogenität und verbesserte Materialeigenschaften auf. Um Restaurationen CAD/CAM-gestützt zu fertigen, muss die klinische Situation mit einem Intraoral- oder Laborscanner digitalisiert werden. Die Restauration wird zuerst in der CAD-Software konstruiert, dann werden die Daten an die CAM-Einheit – zum Beispiel eine Fräsmaschine – übergeben. Hier wird die Restauration im additiven oder subtraktiven Verfahren angefertigt. 

Ein prinzipieller Vorteil der CAD/CAM-Herstellung im Vergleich zur konventionellen Fertigung ist die Möglichkeit einer einfachen und schnellen Reproduktion einer Restauration (bei Verlust oder Versagen) sowie deren Modifikation für verschiedene Therapiesequenzen (zum Beispiel Anheben der Bisshöhe, VDO).

Materialeigenschaften und Indikationen

Polymerbasierte Materialien werden unterschieden in:

  • Thermoplaste (PAEK, PU, PC): Während PU und PC hauptsächlich für zahntechnische Modelle (beispielsweise auch als gedruckte Alternative zu Gips) und Schienen verwendet werden, stehen Hochleistungspolymere wie PAEK auch für Prothesen und festsitzenden Zahnersatz zur Verfügung [Stawarczyk et al., 2018].
  • Duroplaste (PMMA, DMA-Komposite): Subtraktiv verarbeitete PMMA-Materialien sind eine Alternative zu klassischen PMMA-Werkstoffen und beispielsweise für provisorische Restaurationen, Schienen oder Prothesen gedacht. Die Indikation der DMA-Komposite beschränkt sich aufgrund der mechanischen Eigenschaften aktuell auf kleinere zahnfarbene Restaurationen wie Veneers, Inlays, Onlays und bei den meisten Materialien auch auf Kronen (Zahn- und Implantat-getragen). 
  • Polymerinfiltrierte Keramiken (PICN): Diese besitzen mit den DMA-Kompositen vergleichbare Anwendungsbeschränkungen. DMA-Komposite und polymerinfiltrierte Keramiken stellen eine Alternative zu dentalen Keramiken dar. Bei polymeren Werkstoffen ist nach der CAD/CAM-Fertigung eine abschließende Politur zur Finalisierung ausreichend. Eine zusätzliche Ausstattung (zum Beispiel ein Brennofen für die Glasur) wird nicht benötigt. Die Materialeigenschaften und deren Indikationen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
    CAD/CAM-Werkstoffe und deren Indikationen (PIC: Polymerinfiltriertes keramisches Netzwerk; PAEK: Polyaryletherketon)
    ThermoplasteDMA-KompositePIC
    Biegefestigkeit [MPa]100 (PEAK:< 160)100-200150
    E-Modul [GPa]2-3 (PEAK:< 5)10-1830
    Befestigung je nach Werkstoff meistadhäsivadhäsivselbstadhäsiv, adhäsiv
    Konditionierung je nach Werkstoff meistindividuelle SystemeSilan, MDP, UniversaladhäsivSilan, Universaladhäsiv
    Indikation z. B.Modelle, Schienen, Prothesen, festsitzender ZahnersatzVeneer, Inlay, Onlay, Einzelzahnkrone auch auf Implantat
    Reparaturmit Komposit nach entsprechender Konditionierung möglich
    Quelle: M: Rosentritt

Thermoplaste 

Thermoplaste sind Materialien, die durch Wärme erweichen und dadurch leicht formbar werden. Während der Verarbeitung können die einzelnen Molekülketten – ähnlich einer Portion Spaghetti – aneinander vorbeigeschoben und so in eine Form gebracht werden. Ist die gewünschte Gestalt beispielsweise über Verfahren wie Tiefziehen, Pressen oder Spritzgießen erreicht, wird das Werkstück abgekühlt und behält danach seine Form. Theoretisch ist dieser Prozess beliebig oft wiederholbar, in der Praxis jedoch können sich die Werkstoffe mit jeder Verarbeitung qualitativ verändern. In der Zahnmedizin werden Thermoplaste für Schienen (PC, Polycarbonat, auch mit verschiedenen Härtestufen oder verschiedenem Härteverlauf) oder für Prothesen (PU, Polyurethan) und festsitzenden Zahnersatz (PAEK, Polyaryletherketone) verwendet. Den Werkstoffen können anorganische Füllstoffe in kleinen Mengen zugemischt werden, um deren mechanische Eigenschaften (etwa die Festigkeit) zu verbessern oder um das Material an bestimmte Anforderungen anzupassen.

Abbildung 2: gefräste Prothese vor der Zahnverklebung | Martin Rosentritt

Thermoplaste können auch als CAD/CAM-Rohlinge subtraktiv verarbeitet werden. Hierzu werden die Materialien industriell vorgeformt und bei Bedarf auf den Haltern für die CAD/CAM-Fertigung befestigt. Anwendungen sind beispielsweise PU für zahnmedizinische Modelle oder ebenfalls verschiedene PAEK-Varianten für Zahnersatz [Rosentritt et al., 2015; Silla et al., 2016]. 

PAEK ist die übergeordnete Bezeichnung von Polyetheretherketonen (PEEK), Polyetherketonketonen (PEKK) oder Arylketonpolymeren (AKP). Namen, Struktur und Eigenschaften dieser Polymere werden durch das Verhältnis von Keton (K)- und Ethergruppen (E) bestimmt. Durch Zusätze wie Titanoxid (10 bis circa 30 Gewichtsprozent) oder die Anzahl der Ketongruppen kann das Polymer beispielsweise steifer gestaltet werden. Für die entsprechenden Indikationen ist PAEK in grau sowie in zahn- und in gingivafarben erhältlich. PAEK-Werkstoffe sind in der Regel opak und nicht transluzent. Für eine definite Befestigung oder Verblendung von PAEK kann die Versorgung gestrahlt (Koround 50 µm, < 2,5 bar), konditioniert (DMA/MMA Gemisch) und mit einem entsprechenden Opakersystem behandelt werden. 

PAEK ist frei von Monomer, wodurch allerdings ein Verbund mit weiteren Kunststoffen nur eingeschränkt möglich ist. Vorteilhaft sind die geringe Dichte der Materialien und das damit verbundene geringe Gewicht, was unter anderem ein Grund dafür sein dürfte, dass der Tragekomfort von PAEK-Prothesen oft als sehr gut bezeichnet wird. PAEK kann neuerdings für zahnmedizinische Anwendungen wie zum Beispiel als Verblendung auch tiefgezogen werden [Lümkemann et al., 2018]. Thermoplaste können prinzipiell auch in additiven Verfahren – ähnlich einer Heißklebepistole – verarbeitet und repariert werden. Entsprechende Fertigungsverfahren könnten in naher Zukunft auch in der Zahnmedizin Eingang finden.

Duroplaste

Duroplaste sind Polymere die in einer chemischen Reaktion aushärten. In der Zahnmedizin werden verschiedene Polymerreaktionen eingesetzt, wobei der radikalischen Polymerisation eine besondere Bedeutung zukommt. So entstehen Polymethylmethacrylate (PMMA) beispielsweise durch die Reaktion von Methacrylat (MA)-Monomeren. 

Zur Anpassung und Optimierung der mechanischen Eigenschaften werden den Polymeren anorganische Füllstoffe (oder bereits in Polymer eingebundene Füllstoffe, sogenannte Präpolymerisate) in geringen Anteilen von bis circa 10 Gewichtsprozent zugegeben. Die niedrigen Füllstoffmengen gewährleisten eine ausreichende Elastizität der Materialien, die für viele Anwendungen (zum Beispiel Provisorien) benötigt wird. Wenn möglich, versucht man, diese Füllkörper durch chemische Anbindung an das Polymer, beispielsweise über eine Silanisierung von Silikaten, in das Matrixsystem einzubinden und so Eigenschaften der Werkstoffe (zum Beispiel Elastizitätsmodul) zu optimieren. 

Abbildung 3: provisorische Brücke aus PMMA | Martin Rosentritt

PMMA-basierte Rohlinge sind für (Langzeit-) temporäre Versorgungen mit den damit verbundenen therapeutischen Möglichkeiten (zum Beispiel Bisshebung) einsetzbar [Rosentritt et al., 2018]. 

Die PMMA-Rohlinge sind als monochrome Systeme in unterschiedlichen Farben oder als Multilayer-Varianten mit zervikal-inzisalem Verlauf (Helligkeit und Tranzluzenz) erhältlich. In der CAD-Software kann die zu fertigende Restauration im Rohling entsprechend positioniert und gefräst werden. Eingefärbte Rohlinge werden auch für Prothesen (oder nur Prothesenbasen) verwendet. Spezielle Rohlinge mit einer vorgefertigten und passgenauen Adaption sind als Klebebasen für die Implantatprothetik erhältlich.

CAD/CAM-Komposite

CAD/CAM-Komposite entstehen durch die Polymerisation von Dimethacrylaten wie beispielsweise BisGMA, TEGDMA oder UDMA. Sie besitzen ebenfalls einen anorganischen Anteil, der allerdings im Vergleich zu den PMMA-Werkstoffen aufgrund der höheren mechanischen Anforderungen (unter anderem Verschleißbeständigkeit) mit etwa 80 Gewichtsprozent deutlich höher ist. Die Füllstoffe haben dabei eine unterschiedliche Zusammensetzung (unter anderem Siliziumoxid, Kieselsäure, Zirkonoxid, Präpolymerisate) und unterschiedliche Größen und Geometrien [Belli et al., 2014; Shembish et al., 2016]. Um einen Verbund zwischen den Füllstoffen und den organischen Anteilen zu erzielen, müssen die Füllstoffe entsprechend chemisch – zum Beispiel über Silane – aktiviert werden.

CAD/CAM-Komposite sind also ähnlich aufgebaut wie Füllungs- und Verblendkomposite. Durch die industrielle Polymerisation unter Druck und Wärme ist die Umsetzungsrate der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen im Vergleich zu Füllungs- beziehungsweise Verblendkompositen allerdings erhöht, wodurch in der Regel auch ein geringerer Restmonomergehalt erzielt werden kann. Aufgrund der industriellen Fertigung besitzen CAD/CAM-Komposite im Vergleich zu Füllungskompositen optimierte mechanische Eigenschaften [Lauvahutanon et al., 2014; Chavali et al., 2016]. 

Abbildung 4: CAD/CAM-Komposite als Rounde | Martin Rosentritt

Nachteilig wirkt sich allerdings aus, dass durch die höhere Umsetzung mögliche Bindungsoptionen zur Befestigung der Restauration wegfallen [Strasser et al., 2018]. Somit wird der chemische Verbund zum Befestigungskomposit reduziert und die Notwendigkeit einer suffizienten Präparation betont [Rosentritt et al., 2017]. 

Die CAD/CAM-Komposite unterscheiden sich in Art und Menge der verwendeten Füllstoffe deutlich [Awada, Nathanson, 2015; Wendler et al., 2017]. Das hat zum Beispiel Auswirkungen auf die Konditionierung vor der adhäsiven Befestigung. Restaurationen aus diesen Werkstoffen werden durch Schleifen im CAD/CAM-Verfahren gefertigt. Individualisierungen erfolgen über Komposite und/oder Malfarben. Manche Produktbezeichnungen wie zum Beispiel „Nano(hybrid)Keramik“ sind etwas irreführend – die Materialen besitzen zwar einen hohen anorganischen Füllstoffgehalt, aber es handelt sich dabei nicht um Keramiken.

Polymerinfiltrierte Keramiken

Eine Sonderstellung nimmt ein als „Polymerinfiltriertes Keramisches Netzwerk (Polymer-infiltrated ceramic network: PICN)“ bezeichnetes Material ein. Hierbei handelt es sich um eine schwammige Gerüststruktur aus Glaskeramik, die mit entsprechenden Monomeren (zum Beispiel TEGDMA, UDMA) infiltriert wird. Das Mischungsverhältnis von anorganischen Bestandteilen (circa 86 Gewichtsprozent) zu organischen Ingredienzen (circa 14 Gewichtsprozent) ist vergleichbar mit dem von Kompositen. 

Aufgrund seiner chemischen Struktur handelt es sich um einen Werkstoff mit Polymer, der daher nicht wie Keramik bei höheren Temperaturen verblendet werden kann. Eine Individualisierung kann wie bei Kompositen über andere Komposite und entsprechende polymerbasierte Malfarben erfolgen. Eine Verarbeitung ist ebenfalls nur über die subtraktive Fertigung (Schleifen) möglich. 

Fazit 

Die dargestellten Werkstoffe besitzen deutlich unterschiedliche Eigenschaften (Tabelle 1) und bieten dem Anwender eine Vielzahl von Indikationen sowie weitreichende klinische Optionen. Im Gegenzug sollte der Anwender allerdings über gewisse Grundkenntnisse verfügen, um die Optionen der Werkstoffe gut einschätzen und patientenorientiert einsetzen zu können. Präparationsvorgaben, die Ver- und Bearbeitung der Werkstoffe sowie das Wissen um die jeweils richtige Befestigungsstrategie sind für den langfristigen klinischen Erfolg entscheidend.

Polymerbasierte CAD/CAM-Komposite bieten werkstoffkundlich gute Eigenschaften und wirtschaftliche Optionen für kleinere Versorgungen vom Veneer bis zur Implantat-getragenen Krone – bei letzterer beispielsweise durch das relativ niedrige E-Modul. Die im Vergleich zu Glaskeramiken und Zirkonoxiden verkürzte Prozesskette kommt ohne Arbeitsschritte im Keramikofen aus und ermöglicht eine zeitnahe, über die intraorale Digitalisierung durchgeführte CAD/CAM-Chairside-Fertigung. Damit entfällt auch die Notwendigkeit, ein Provisorium anfertigen zu müssen. Weitere Optionen sind die einfache Reparaturmöglichkeit der polymerbasierten Versorgung mit Füllungskompositen sowie die schnelle Neuanfertigung der Versorgung aus den vorhandenen CAD/CAM-Daten, zum Beispiel für Langzeitprovisorien oder Therapien wie eine Bisserhöhung. 

Weitere Informationen finden Sie unter www.werkstoffkunde-kompendium.de.

Prof. Dr. Dipl. Ing. (FH) Martin Rosentritt
Universitätsklinikum Regensburg
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Franz-Josef-Strauß-Allee 11
93053 Regensburg
martin.rosentritt@ukr.de

Annett Kieschnick
Freie Fachjournalistin
Helmholtzstr. 27
10587 Berlin

PD Dr. Dipl. Ing. (FH) Bogna Stawarczyk,
Klinikum der Universität München
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Wissenschaftliche Leiterin Werkstoffkunde
Goethestr. 70
80336 München

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