Fortbildung „Aktuelle Perspektiven der restaurativen Zahnerhaltung“

Lichtpolymerisation heute

Die Lichthärtung von zahnärztlichen Materialien ist ein essenzieller Bestandteil der zahnärztlichen Behandlung geworden. Dabei können sich leicht Fehler einschleichen, die die Langlebigkeit der Restaurationen entscheidend beeinflussen. In diesem Beitrag sollen daher die wichtigsten Aspekte für eine sichere Polymerisation lichthärtender Kompositmaterialien dargestellt werden.

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In fast allen Behandlungssituationen werden Lichtgeräte zur Polymerisation von Monomersystemen eingesetzt:

  • bei der direkten Füllungstherapie
  • bei der Fissurenversiegelung und Infiltration
  • beim adhäsiven Befestigen von indirekten Restaurationen
  • bei dual-härtenden Stumpfaufbau-Materialien
  • beim Kleben von Brackets

Leider aber wird diesem Arbeitsschritt nicht immer die Aufmerksamkeit geschenkt, die für eine sichere Aushärtung nötig wäre [Sabbagh et al., 2017]. Umfragen unter niedergelassenen Zahnärzten zeigen, dass das Wissen über die technischen Voraussetzungen und die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen bei der Lichthärtung in sehr unterschiedlichem Maße vorhanden ist [Kopperud et al., 2017] und dass die eingesetzten Lichtgeräte nicht immer den erforderlichen Ansprüchen genügen [Ernst et al., 2018]. Wenn aber plastische Komposit-Füllungsmaterialien nur unzureichend lichtgehärtet werden, kann das zu

  • erhöhtem Herauslösen von Substanzen und verstärkter Zytotoxizität [Ak et al., 2010; Sunitha et al., 2011; Ergun et al., 2010],
  • geringerer Härte und höherer Abrasion [Ferracane et al., 1998; Calheiros et al., 2008; Bhamra und Fleming, 2009],
  • eingeschränkter Farbstabilität [Brackett et al., 2007],
  • verringerter Haftung an der Zahnhartsubstanz [Price et al., 2015],
  • postoperativen Sensitivitäten,
  • Sekundärkaries und
  • Füllungsfrakturen [Ferracane et al., 1997] führen.

Obwohl die Oberfläche lichthärtender Komposite schon nach kurzer Belichtung hart erscheint, sind die Monomerumsatzraten vor allem am Kavitätenboden – sowie die physikalischen Werte (wie die erzielte Härte und die Festigkeit) sowie die Abrasionsbeständigkeit, die letztlich entscheidend für die Langzeitperspektive der Restauration sind, noch nicht voll erreicht [Rueggeberg et al., 2009]. 

 

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Kompositmaterialien, die eine vereinfachte, weniger fehleranfällige und zeitsparende Füllungstherapie ermöglichen, sind von großem Interesse für die tägliche Praxis.

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Wenn in der Füllungstherapie Misserfolge auftreten, werden diese oft auf die Materialien zurückgeführt, obwohl nicht selten die ungenügende Aushärtung des Füllungsmaterials ursächlich sein dürfte, das seine Eigenschaften gar nicht voll entfalten kann, wenn es nicht in ausreichendem Maß polymerisiert wird. 

Abbildung 1: Darstellung der Absorptionsspektren von Photoinitiatoren und der Emissionsspektren von blauen (Peak 456 nm) und violetten (Peak 412 nm) LEDs | Blunck

Abbildung 2: Begriffe zur Lichthärtung | Blunck 

Lichthärtende Komposit-Füllungsmaterialien

In der täglichen Praxis werden vor allem lichthärtende Komposit-Füllungsmaterialien eingesetzt. Sie vernetzen zu Polymeren, wenn Radikale die Doppelbindungen an den Monomeren aktivieren, und bewirken durch diese Vernetzung die angestrebten physikalischen Eigenschaften der Restaurationen [Ferracane et al., 1998].

Die dazu benötigten Radikale werden durch lichtsensitive Initiatoren, den Photoinitiatoren, wie zum Beispiel dem Campherchinon (CQ)-Amin-System, durch Spaltung von Atombindungen nach Bestrahlung durch bestimmte Wellenlängen gebildet. Das am häufigsten verwendete CQ absorbiert Licht im Wellenlängenbereich von circa 390 nm bis 510 nm bei einem Absorptionsmaximum (Lambdamax) von 470 nm [Neumann et al., 2005], also im Wellenlängenbereich des blauen Lichts. Wegen der gelben Eigenfarbe und der geringeren Effizienz in der Bildung von Radikalen (CQ bildet lediglich ein Radikal pro Molekül) werden auch weißlichere Varianten wie zum Beispiel Lucirin TPO oder Phenyl-Propan-Dion (PPD) beigemischt [Rueggeberg, 2011]. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der Bulk-Fill-Komposite wurden weitere Alternativen wie zum Beispiel Ivocerin (Fa. Ivoclar Vivadent) entwickelt [AG, 2013].

Diese alternativen Photoinitiatoren absorbieren das Licht überwiegend im Wellenlängenbereich von 380 bis 430 nm (Acrylphosphynoxid: 300 < Lambda < 440; Lambdamax = 381 nm; PPD, Phenylpropandion, 330 < Lambda < 460; Lambdamax = 398 nm) [Neumann et al., 2005; Gan et al., 2018]. Anders als CQ benötigten alternative Photoinitiatoren keine Co-Initiatoren, um Radikale zu bilden, und können – je nach Struktur – zwei oder mehr Radikale bilden, die alle die radikalische Polymerisation initiieren können. Sie sind somit deutlich effizienter als CQ [Ikemura und Endo, 2010].

Die Bildung von Radikalen endet mit dem Ausschalten des Lichtgeräts, das die entsprechende Wellenlänge abstrahlt. Ein ausreichender Reaktionsumsatz erfordert daher eine Mindestbelichtungszeit beziehungsweise eine bestimmte Energiemenge, auch Belichtungsdosis genannt. Eine nur kurz belichtete Kompositmasse erscheint an der Oberfläche durchaus als ausgehärtet, während in der Tiefe keine ausreichende Polymerisation stattgefunden hat [Lovell et al., 2003]. Das kann dann zu den oben dargestellten Folgen führen.

Um ein schnelles Aushärten in besonders kurzer Zeit zu ermöglichen, werden Polymerisationslichtgeräte mit hoher Intensität angeboten. Dabei ergibt sich allerdings das Problem, dass ein Initiatorsystem nur eine bestimmte Menge an Energie pro Zeiteinheit aufnehmen kann und ab einer bestimmten Intensität keine weitere Erhöhung der Radikalbildung mehr erfolgt [Halvorson et al., 2002; Leprince et al., 2012]. Somit können bei sehr kurzen Belichtungszeiten die auftretenden Effekte nicht mehr durch eine entsprechende Erhöhung der Intensität kompensiert werden. Es ist dabei auch zu beachten, dass eine hohe Lichtintensität mit einer hohen Wärmeentwicklung gekoppelt wird, was die Gefahr der Pulpaüberhitzung oder von Verletzungen des Weichgewebes erhöht.

Metaanalysen von In-vitro-Studien haben ergeben, dass durch eine geringere Bestrahlungsstärke bei längerer Belichtungszeit (zum Beispiel Soft-Start-Polymerisation), mit intermittierenden Belichtungen bei gleicher Belichtungsdosis (Total Energy Concept – siehe unten) und ähnlichen Herangehensweisen geringerer Schrumpfungsstress gemessen werden konnte. Diese Vorteile konnten aber in klinischen Studien bisher nicht bestätigt werden [Munchow et al., 2018], so dass der Soft-Start-Polymerisation heute keine große Bedeutung mehr zugemessen wird.

Zu den Absorptionsspektren der Photoinitiatoren müssen die Emissionsspektren der Lichtgeräte passen. Während das Emissionsspektrum für die sichere Aushärtung des Kompositmaterials entscheidend ist, bereiten insbesondere diese Wellenlängen für das menschliche Auge enorme Probleme [Soares et al., 2017]. Gerade der blaue Wellenlängenbereich ist für die Netzhaut besonders gefährlich und durch kumulative Effekte kann es gegebenenfalls zur Beeinträchtigung der Sehfähigkeit kommen. Daher sind Orange-Filter unbedingt erforderlich, um die korrekte Lage des Lichtaustrittsfensters visuell überprüfen zu können [Price et al., 2016].

Abbildung 3: Bestrahlungsstärke verschiedener Lichtgeräte, gemessen vom Lichtaustrittsfenster von 0 mm (direkt am Lichtleiter) bis hin zu 10 mm Abstand | Illie

Lichtintensität in Abhängigkeit vom Durchmesser des Lichtaustrittsfensters bei gleicher Lichtstärke der Lichtquelle
Lichtstärke der Lichtquelle [mW]Durchmesser des Lichtaustrittsfensters [mm]Lichtintensität am Lichtaustrittsfenster [mW/cm2]
80081591
800101018
80012707
Tabelle 1, Quelle: Blunck

 

Polymerisationslichtgeräte

Halogengeräte erzeugen das Licht durch einen auf etwa 3.000 °C aufgeheizten Wolfram-Faden, der allerdings nur circa acht Prozent der Energie in Form von sichtbarem Licht abgibt. Sie besitzen breitbandige Emissionsspektren (Abbildung 1) und können daher alle in der Zahnmedizin verwendeten lichthärtenden Materialien polymerisieren beziehungsweise aushärten. Das breite Lichtspektrum weist allerdings auch einen großen Teil an Hitzestrahlung (> 550 nm) auf. Deshalb sind optische Filter notwendig, um das sichtbare Licht auf 400–500 nm einzugrenzen [Rueggeberg, 2011]. Gleiches gilt für die Plasma-Lampen (PAC = Plasma Arc Curing), die Mitte der 1960er-Jahre in Deutschland entwickelt wurden und erst 1998 in den USA die Marktreife erhalten haben [Rueggeberg, 2011].

Seit circa zehn Jahren sind die LEDs, lichtemittierende Dioden, der Standard in der Lichtpolymerisation geworden [Rueggeberg, 2011]. LEDs bestehen aus zwei Halbleitern, die durch Anlegen einer Spannung Licht in einem relativ schmalen Wellenlängenbereich entstehen lassen. Bei einer Lichtausbeute von etwa 30 Prozent und ohne Erzeugung so hoher Temperaturen wie bei den Halogenlichtgeräten, können sie ohne Kühlung auskommen und werden daher auch als Akku-Geräte angeboten [Jandt und Mills, 2013]. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass mit steigender Intensität auch die Hitzeentwicklung auf der bestrahlten Fläche ansteigt und somit die LED-Lichtgeräte keine „kalten“ Polymerisationsgeräte sind.

Ein Problem bei den LED-Lichtgeräten liegt in der meist geringen Größe der LEDs selbst und in der häufig nicht gleichförmigen Verteilung der Lichtenergie über die Fläche des Lichtaustrittfensters, dem sogenannten Energiestrahlprofil (englisch: Beam Profile).

Für eine optimale Aushärtung von Kompositmaterialien müssen die Polymerisationsgeräte auf die im Material enthaltenden Initiatoren angepasst werden. Anders ausgedrückt, das Emissionsspektrum der Lampe muss mit dem Absorptionsspektrum der Initiatoren übereinstimmen.

Die meisten LED-Polymerisationsgeräte weisen das typische enge Emissionsspektrum im blauen Wellenlängenbereich von 430 bis 490 nm auf, daher ist ihr universeller Einsatz nicht automatisch gegeben. Oft werden diese Lichtgeräte fälschlicherweise auch als Monowave-LED bezeichnet. Da eine LED-Lampe ein Emissionsspektrum und nicht eine einzelne Wellenlänge, wie zum Beispiel ein Laser, aufweist, wird empfohlen, diesen Begriff zu vermeiden. So wird der Photoinitiator Lucirin TPO, der in einigen Produkten enthalten ist, von den blauen LEDs nicht aktiviert [Price et al., 2015]. Dies ist allerdings nur für sehr wenige Produkte ein Problem, denen ausschließlich alternative Photoinitiatoren beigefügt sind. Dies könnte bei sehr hellen Kompositen der Fall sein (sogenannten Bleach-Farben). Die entsprechenden Hinweise finden sich dann in den Arbeitsanweisungen der Kompositmaterialien.

Einige Hersteller (zum Beispiel Ultradent, Vivadent, GC) bieten sogenannte Multi-Peak-LED-Lichtgeräte (oft unpräzise auch als Poly-Wave-Lichtgeräte bezeichnet) an, die verschiedene LEDs für blaues und violettes Licht im Bereich von 385 bis 515 nm einsetzen und somit für alle lichthärtenden Materialien verwendet werden können [Price und Felix, 2009; Leprince et al., 2010].

Wichtig bleibt festzuhalten: Ein Anwender muss in jedem Fall wissen, welche Wellenlängen zur Aushärtung des eingesetzten Kompositmaterials benötigt werden und welches Emissionsspektrum das eingesetzte Lichtgerät aufweist [Leprince et al., 2010]. Nur so kann sichergestellt werden, dass die emittierte Wellenlänge der Polymerisationslampe auch tatsächlich den Photoinitiator aktiviert und der Aushärtungsvorgang korrekt funktioniert.

Abbildung 4: Vergleich der Lichtstreuung von Turbo-Lichtleitern und parallel-wandigen Lichtleitern | Blunck

Abbildung 5: Beispiele unterschiedlicher Winkelungen gängiger Lichtgeräte | Blunck

Abbildung 6: Beispiele falsch angebrachter Schutzfolien auf Lichtleitern | Blunck

Lichtleistung und Lichtintensität

Im Zusammenhang mit der Lichthärtung werden die beiden Begriffe Lichtleistung und Lichtintensität genannt, wobei der letzte Begriff häufig für zwei unterschiedliche Effekte benutzt wird und daher korrekterweise differenziert werden muss (Abbildung 2).

Als Lichtleistung einer Lichtquelle wird die Strahlungsleistung (auch der Strahlungsfluss) bezeichnet. Sie ist die Energiemenge, die pro Zeitspanne von elektromagnetischen Wellen transportiert wird. Ihre Einheit ist Watt (W).
Als Intensität eines Lichtgeräts wird die spezifische Ausstrahlung, Ausstrahlungsstromdichte, Abstrahlungsstärke (englisch: radiant exitance beziehungsweise radiant emittance) bezeichnet, die pro Zeiteinheit von einem Flächenelement ausgestrahlt wird. In unserem Fall ist es die Fläche des Lichtaustrittsfensters und wird in mW/cm² angegeben.

Entscheidend für die Lichtpolymerisation ist aber, wie viel von der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) – gemessen am Lichtaustrittsfenster – auf der bestrahlten Oberfläche ankommt. Dies wiederum wird mit den Begriffen Bestrahlungsstärke oder Strahlungsstromdichte (englisch: irradiance, radiant flux density) beschrieben.

Die Bestrahlungsstärke bezeichnet also die gesamte Leistung der eingehenden elektromagnetischen Energie, die auf eine Oberfläche trifft, bezogen auf die Größe der Fläche und wird daher ebenfalls in mW/cm² angegeben. Dies ist für die Lichthärtung von Kompositmaterialien die bedeutende Größe, weil durch diesen Wert abgeschätzt werden kann, wie viel Licht tatsächlich an der Oberfläche der Restauration ankommt. Diese ist abhängig vom Abstand zwischen Lichtquelle und Oberfläche, sowie von der Größe der bestrahlten Oberfläche. Nur wenn der Abstand zwischen Lichtaustrittsfenster und bestrahlter Oberfläche gleich null ist, dann sind auch spezifische Ausstrahlung (Intensität) und Bestrahlungsstärke identisch.

Die empfohlene spezifische Ausstrahlung (Intensität) am Lichtaustrittsfenster eines Lichtgeräts sollte zwischen 800 und 1.500 mW/cm2 liegen [Price, 2014]. Dieser Wert allein sagt aber noch nichts aus, denn er berechnet sich aus der Lichtleistung der Lichtquelle bezogen auf die Fläche des Lichtaustrittsfensters: In Tabelle 1 wird dargestellt, wie es bei gleicher Lichtleistung einer LED zu unterschiedlichen Berechnungen der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) am Lichtaustrittsfenster bei verschiedenen Durchmessern kommt.

Daher sind beim Kauf eines Lichtpolymerisationsgeräts sowohl die Lichtleistung als auch der Durchmesser des Lichtaustrittsfensters zu beachten [Price, 2018]! Kleinere Durchmesser haben somit bei gleicher Lichtleistung der Lichtquelle eine höhere spezifische Ausstrahlung (Intensität), allerdings auch nur eine eingeschränkte Beleuchtungsfläche.

Abbildung 7: Beispiele für verschiedene Energiestrahlprofile (Beam Profiles): Je mehr unterschiedliche Farben dargestellt werden, desto weniger gleichmäßig ist die Verteilung der Intensität. Links: Smartlite Pro, rechts: LED (mit freundlicher Genehmigung von Prof. R. B. Price, Dalhousie University; Halifax, Canada). | Price

Abbildung 8: Auswirkungen von zwei Energiestrahlprofilen (Beam Profiles) auf die Lichthärtung in einer Standardkavität (mit freundlicher Genehmigung von Prof. R. B. Price, Dalhousie University; Halifax, Canada). | Price

Abbildung 9: Ausleuchtung einer Standard-Molarenkavität bei zentraler Positionierung eines Lichtleiters mit 9 mm Durchmesser (mit freundlicher Genehmigung von Prof. R. B. Price, Dalhousie University; Halifax, Canada). | Price

 

Lichtstreuung

Ein weiteres Problem bei der Lichthärtung ist die Lichtstreuung am Lichtaustrittsfenster, weil die Bestrahlungsstärke exponentiell mit der Entfernung abnimmt. Untersuchungen von Richard Price haben zeigen können, dass die Bestrahlungsstärke – in Abhängigkeit vom jeweiligen Lichtgerät – bei einer Entfernung von 6 mm um circa 50 Prozent, bei einer Entfernung von 10 mm um circa 80 Prozent abnehmen kann [Price et al., 2000]. Bei tiefen Kavitäten oder bei schwer zugänglichen Approximalflächen ist ein größerer Abstand zum applizierten Kompositmaterial oft nicht zu vermeiden. In solchen Fällen müssen die Belichtungszeiten entsprechend verlängert werden.

Um die Streueffekte zu minimieren, sind bei Lichtgeräten, deren LEDs direkt vorn am Lichtaustrittsfenster liegen, Linsen angebracht oder das Licht wird durch Faserstäbe geleitet. Dabei sind parallel-wandige sinnvoller als sich zum Lichtaustrittsfenster verjüngende Lichtleiter. Letztere, die sogenannten Turbolichtleiter, streuen besonders stark und zeichnen sich bei zunehmendem Abstand zum Lichtaustrittsfenster durch einen höheren Abfall der Bestrahlungsstärke aus [Price et al., 2000].

Deutlich wird das in Abbildung 3. Hier wird die Bestrahlungsstärke verschiedener Lichtgeräte – gemessen in unterschiedlichem Abstand vom Lichtaustrittsfenster, von 0 mm (direkt am Lichtleiter) bis hin zu 10 mm Abstand – dargestellt. Dabei waren die LED-Lampe „Bluephase“ und die Halogenlampe „Astralis 10“ mit einem lichtkonzentrierenden (Turbo-)Lichtleiter ausgestattet, während die LED-Lampe „MiniLED“ mit einem Standard-Lichtleiter gemessen wurde. Der Lichtleitertyp wirkt sich deutlich auf die Änderungen der Bestrahlungsstärke mit dem Abstand aus. Bei Turbo-Lichtleitern, die sich zum Lichtaustrittsfenster hin verjüngen (Abbildung 4) nimmt die Bestrahlungsstärke mit steigendem Abstand deutlich schneller ab als bei Standard-Lichtleitern.

In der Kinderbehandlung und bei Patienten mit geringer Mundöffnung sowie beim Einsatz im posterioren Zahnreihenbereich empfehlen sich an der Spitze verkürzte Lichtleiter oder die Geräte mit LEDs direkt am Lichtaustrittsfenster [Price et al., 2000; Price et al., 2010; Corciolani et al., 2008; Price und Felix, 2009] (Abbildung 5).

Außerdem sind große Durchmesser des Lichtleiters (circa 10 mm) vorteilhaft, damit auch großflächige Kavitäten, zum Beispiel MOD-Füllungen, komplett ausgeleuchtet werden können und Mehrfachbelichtungen überflüssig oder reduziert werden. Das ist gerade beim Einsatz von Bulk-Fill-Kompositen sinnvoll.

Um die Hygienestandards einzuhalten, sollte der Lichtleiter idealerweise aus dem Handstück entfern- und autoklavierbar sein [Certosimo et al., 2003]. Ansonsten sind Einmal-Schutzfolien einzusetzen, wobei darauf zu achten ist, dass die Schutzfolie straff über das Lichtaustrittsfenster gespannt wird. Sonst kann auch dies bereits zu einer Verminderung der Bestrahlungsstärke führen (Abbildung 6).

Belichtungsdosis

Um eine ausreichende Vernetzung der Monomer-Matrix in den Kompositen sicherzustellen, ist eine bestimmte Energiemenge, die Belichtungsdosis, nötig zur Aktivierung der Radikale in ausreichendem Maß, was als Total Energy Concept beschrieben wird. Die Belichtungsdosis ist das Produkt aus Bestrahlungsstärke mal Belichtungszeit [Koran und Kurschner, 1998]. Dabei gilt diese lineare Beziehung annäherungsweise jeweils nur im Bereich von Bestrahlungsstärken zwischen 500 und 1.500 mW/cm2. Es gibt in der Literatur keinen Konsens über eine ausreichende Belichtungsdosis für eine zuverlässige Polymerisation. Dies ist begründet in der Vielzahl an Kompositmaterialien, die alle unterschiedliche Zusammensetzungen und somit ein unterschiedliches Polymerisationsverhalten aufweisen. Infolge der Komplexität der Polymerisationskinetik kann eine sehr hohe Intensität eine sehr geringe Belichtungszeit nicht ausgleichen [Musanje und Darvell, 2003]. Je nach Typ, Farbe und Transparenz ist diese für das jeweilige Komposit erforderliche Dosis unterschiedlich hoch [Shortall, 2005].

Generell ist für eine adäquate Polymerisation eine erforderliche Belichtungsdosis von 12.000–16.000 mWs/cm² = 12–16 J/cm² berechnet worden [Koran und Kurschner, 1998]. Weitere ausführliche Untersuchungen zeigen, dass moderne Komposite eine Belichtungsdosis von 21–24 J/cm2 für die adäquate Polymerisation eines 2 mm dicken Inkrements benötigen [Erickson et al., 2014; Rueggeberg et al., 1994; Sobrinho et al., 2000]. Dadurch ergeben sich in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke des verwendeten Polymerisationsgeräts unterschiedlich lange Belichtungszeiten. Daher ist es sinnvoll, in den Beipackzetteln der Kompositprodukte die entsprechenden Informationen zur Belichtungsdosis abzurufen.

Schichttechnik

Die Schichttechnik berücksichtigt, dass die Bestrahlungsstärke auch mit der Eindringtiefe ins applizierte Komposit exponentiell abnimmt und es dadurch mit fortschreitender Tiefe zu einer geringeren Bildung von Initiatorradikalen kommt [Emami und Soderholm, 2003]. Für konventionelle Komposite werden daher Schichtstärken von maximal 2 mm empfohlen, wobei die erzielbare Durchhärtungstiefe umso geringer ausfällt, je opaker und dunkler das verwendete Komposit ist [Rueggeberg et al., 2009; Price und Felix, 2009]. Bei den sogenannten Bulk-Fill-Kompositen können in einem Schritt Schichtdicken bis zu 4 mm ausgehärtet werden, bei wenigen Produkten sind sogar bis 5 mm zur Aushärtung freigegeben worden [Lima et al., 2018]. Dabei sind allerdings die Herstellerangaben für die Belichtungszeiten unbedingt zu beachten, die bei einer Bestrahlungsstärke von circa 1.000 mW/cm² je nach Komposit und dessen Farbe zwischen 10 bis 40 s liegen können. Bei einer unvollständigen Durchhärtung liegt sonst ein Teil des Kompositmaterials unvernetzt in der Restauration vor. Von außen ist dies nicht feststellbar, da die Füllung an der Oberseite der Kavität einen ausgehärteten Eindruck macht. Die Belichtungszeit muss daher bei den Bulk-Fill-Kompositen an die Schichtdicke angepasst werden [Leprince et al., 2010].

Die erhöhte Schichtdicke in Bulk-Fill-Kompositen wird im Vergleich zu konventionellen Kompositen überwiegend durch eine höhere Transluzenz (Lichtdurchlässigkeit) der Materialien hervorgerufen. Die Transluzenz eines Komposits wird durch die Anpassung der Brechungsindizes von Füllkörpern und organischer Matrix eingestellt [Shortall et al., 2008]. Je größer dieser Unterschied ist, desto mehr Licht wird an der Grenzschicht zwischen Füllkörper und Matrix gestreut und kann somit tiefere Schichten nicht mehr erreichen. Die Transluzenz eines Komposits kann auch durch die Minimierung der Grenzfläche zwischen Füllkörper und Matrix erhöht werden, nämlich durch die Reduktion des Füllkörperanteils und/oder eine Vergrößerung der Füllkörper. Enthalten allerdings Komposite Füllkörper mit einer Partikelgröße unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts (380–780 nm), wird das Licht durch die kleinen Partikel weder gestreut noch absorbiert, was ebenfalls die Transluzenz des Materials erhöht.

Konventionelle und Bulk-Fill-Komposite bestehen aus nahezu identischen Zusammensetzungen, was zu der Annahme führt, dass – zumindest in den ersten Generationen der Bulk-Fill-Komposite – die erhöhten Schichtdicken im Wesentlichen durch die Verkleinerung der Grenzfläche zwischen Matrix und Füllkörper erreicht wurden [Ilie et al., 2013]. In niedrigviskösen Bulk-Fill-Kompositen wird dies zusätzlich durch einen niedrigen Füllkörpergehalt unterstützt. Darüber hinaus scheint in vielen Bulk-Fill-Kompositen auch eine Reduktion der Farbpigmente stattgefunden zu haben. Dies erhöht die Transluzenz, verschlechtert jedoch gleichzeitig die Ästhetik. Viele Bulk-Fill-Komposite werden lediglich in der Farbe „Universal“ angeboten. Modernere Bulk-Fill-Komposite beinhalten neue Initiatorsysteme wie das Ivocerin (BTMGe und DBDEGe) [Moszner et al., 2008] oder setzen gar auf effizientere Polymerisationsmechanismen wie die RAFT-Polymerisation (Reversible Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungs-Polymerisation). Letzteres erlaubt, opakere und somit ästhetischere Bulk-Fill-Komposite effizient zu polymerisieren (implementiert zuerst in Filtek One, 3M) sowie eine Kürzung der Belichtungszeit auf 3 s bei hoher Bestrahlungsstärke von 3.000 mW/cm² (implementiert 2019 in Tetric PowerFill).

Temperaturentwicklung während der Lichthärtung

Die heute angebotenen hohen Bestrahlungsstärken moderner Hochleistungs-LEDs bedeuten eine entsprechend hohe Energieabgabe, die während der Polymerisation auf das Kompositmaterial, auf die Zahnhartsubstanz, unter Umständen auch auf die Zahnpulpa und auf das benachbarte Weichgewebe einwirken kann. Nach vorherrschender Meinung sollte die Temperatur der Pulpa nicht um mehr als 5,5 °C ansteigen [Baroudi et al., 2009], dieser Wert wird allerdings kontrovers diskutiert [Leprince et al., 2010]. Somit besteht die Möglichkeit, dass Polymerisationslichtgeräte durchaus hohe Temperaturanstiege erzeugen, die vor allem in tiefen Kavitäten eine Reizung der Pulpa hervorrufen können [Leprince et al., 2010]. Empfohlen wird, in solchen Situationen auf einen „Low-Power-Modus“ umzuschalten oder bewusst einen größeren Abstand des Lichtaustrittsfensters zu wählen, wobei bei beiden Maßnahmen die Belichtungszeit verlängert werden muss, um auf die benötigte Belichtungsdosis zu kommen. Der Hitzeentwicklung kann auch mithilfe eines Luftstroms durch die Mehrfunktionsspritze oder den Suktor zur Kühlung entgegengewirkt werden [Price, 2014].

Bei der Lichthärtung in Gingivanähe ist zu bedenken, dass das rote Gewebe die Wellenlängen des blauen Lichts besonders gut absorbiert und es daher dort zu stärkerer Hitzeentwicklung kommen und sogar zu Verbrennungen der Gingiva führen kann.

Energiestrahlprofil

Ebenso wichtig wie das Emissionsspektrum ist allerdings auch das sogenannte Energiestrahlprofil (englisch: Beam Profile), die Verteilung der Bestrahlungsstärke und – bei Geräten mit unterschiedlichen LEDs – der Wellenlängen auf der Fläche des Lichtaustrittsfensters. Es kann mithilfe von Spezialgeräten erfasst und dreidimensional dargestellt werden [Price et al., 2015; Shimokawa et al., 2017; Rocha et al., 2017]. In den Abbildungen 7 und 8 sind verschiedene Beam Profiles dargestellt, woraus ersichtlich wird, wie sehr der Durchmesser des Lichtaustrittsfensters und die gleichmäßige Verteilung der Bestrahlungsstärke Einfluss nehmen können auf die Lichthärtung in Standard-Kavitäten. Je nach Positionierung des Lichtaustrittsfensters werden die verschiedenen Bereiche der Kavität mit unterschiedlichen Belichtungsdosen bedacht [Price et al., 2014]. Dabei ist zu beachten, dass die inhomogene Lichtverteilung durch eine ausreichend verlängerte Belichtungszeit ausgeglichen werden kann.

Ein ungleichmäßig verteiltes Energiestrahlprofil kann bei der Messung der Lichtintensität akzeptable Werte vortäuschen, da die Sensoren der Lichtmessgeräte (siehe unten) integral messen und einzelne Peaks extrem hoher Intensität und Bereiche geringer Intensität nicht unterscheiden können. Das ist vor allem bei den preiswerten China-Import-Lichtgeräten der Fall.

Eine kürzlich durchgeführte Studie [Shimokawa et al., 2019] untersuchte den Einfluss verschiedener Lichtgeräte und die Belichtungszeit auf die Mikrohärte als Grad der Aushärtung in Bulk-Fill-Kompositen in standardisierten MOD-Kavitäten mit 4,5 mm tiefen approximalen Kästen an Molaren (Abbildung 9). Gemessen wurden die Durchmesser des Lichtaustrittsfensters, die Intensitäten, die Bestrahlungsstärke, die Emissionsspektren und das Beam Profile von Single-Peak- und Multi-Peak-Lichtgeräten. Die Resultate zeigen, dass selbst für Lichtgeräte mit großen Durchmessern der Lichtaustrittsfenster und homogener Verteilung der Lichtintensität signifikante Unterschiede in der Aushärtung zwischen den okklusalen und den approximalen Anteilen der Bulk-Fill-Füllung bestehen.

Lichtgeräte mit großen Durchmessern des Lichtaustrittsfensters zeigen bei einer Belichtungszeit von 20 s die höchsten Härtewerte. Es kommt aber nur wenig Bestrahlungsstärke an den Böden der approximalen Kästen an, so dass die Autoren längere Belichtungszeiten empfehlen und die Anwendung jeweils für jeden Approximalbereich.

Wartung

Neben der bauartbedingten Verteilung der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) beeinflussen Verunreinigungen am Ausgangsfenster des Lichtleiters, defekte Fasern im Lichtleiter und eine abnehmende Lichtleistung bei gealterten Halogenlampen das Aushärtungsergebnis der Komposite beträchtlich. Daher sollte die spezifische Ausstrahlung (Intensität) regelmäßig überprüft und es sollte auf Beschädigungen sowie Verschmutzungen des Lichtaustrittsfensters geachtet werden [Shimokawa et al., 2016].

Bei Kontakt mit Kompositmaterial kann es zur Aushärtung und zum Haften von Komposit am Lichtaustrittfenster kommen, wodurch bei den nächsten Belichtungen die Intensität massiv reduziert sein kann. Um dies zu verhindern, werden Schutzfolien angeboten, die allerdings ebenfalls die spezifische Ausstrahlung (Intensität) minimal vermindern können, vor allem, wenn sie nicht glattgezogen werden oder die Naht direkt über dem Lichtaustrittsfenster zu liegen kommt (Abbildung 6).

Lichtmessgeräte

Zur Bestimmung der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) von Polymerisationslichtgeräten existieren unterschiedliche Messmethoden. Die Ulbricht-Kugel ist relativ teuer und damit für den Praxisalltag weniger geeignet, aber das einzig anerkannte physikalische Messgerät für die exakte Bestimmung. Zur regelmäßigen Kontrolle der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) in der Praxis werden Lichtmessgeräte angeboten, die allerdings, wie Studien zeigen, keine verlässlichen Absolut-Werte ergeben [Shimokawa et al., 2016]. Aber sie können den Verlauf der Veränderung der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) eines Geräts erfassen. Wenn der erfasste Wert der wöchentlichen oder zumindest monatlichen Kontrollmessung deutlich abfällt, ist es Zeit zu reagieren.

Wenn mithilfe der Ulbricht-Kugel oder des Phantomkopfes MARC® (siehe unten) im Dentaldepot oder auf entsprechenden Fortbildungsveranstaltungen eine exakte Messung eines Lichtgeräts erfolgt ist, kann dieser Wert mit dem in der Praxis am vorhandenen Radiometer gemessenen Wert verglichen werden, auch wenn die Absolutwerte nicht übereinstimmen. Radiometer dienen also in erster Linie zur regelmäßigen Überprüfung der konstanten spezifischen Ausstrahlung (Intensität), so dass Anwender im Fall eines plötzlichen Werteabfalls rechtzeitig reagieren können.

Einer Studie von 2016 zufolge lieferte der „BluePhase Meter II“ (Ivoclar Vivadent) die präzisesten Werte innerhalb der getesteten Lichtmessgeräte [Shimokawa et al., 2016]. Es ist in der Lage, die spezifische Ausstrahlung (Intensität) von allen derzeit auf dem Markt erhältlichen Polymerisationsgeräten (Halogen-, Plasma-, Laser-, LED-Technik) gleichermaßen exakt zu überprüfen. Bei einer Messgenauigkeit von ±10 Prozent im Vergleich zur Ulbricht-Kugel kann der Durchmesser des Lichtaustrittfensters eingegeben werden [Shimokawa et al., 2016], um die spezifische Ausstrahlung (Intensität) zu bestimmen. Der dafür verwendete Wert des Durchmessers eines Lichtaustrittsfensters sollte sich dabei auf den aktiven Bereich, also nicht auf den äußeren Durchmesser, sondern auf die Fläche, die tatsächlich Licht emittiert, beziehen.

Auswahl eines Lichtgeräts

Bei der Auswahl des Lichtgeräts kann es für Praktiker durchaus verführerisch sein, bei Billig-Angeboten von nicht zertifizierten LED-Lichtgeräten zuzugreifen. Bedacht werden muss dabei aber, dass solche preiswerten Angebote nur auf Kosten der Qualität der LEDs und der verwendeten Elektronik möglich sind. Es empfiehlt sich daher, Markenprodukte zu wählen, die durch hohe Standards bei der Kontrolle der Produktqualität eine sichere Anwendung ermöglichen [Price, 2014].

Benötigt wird ein Gerät mit genügend spezifischer und gleichmäßig über das gesamte Lichtaustrittsfenster verteilter Ausstrahlung (Intensität) zur effektiven Lichthärtung der eingesetzten lichthärtenden Komposit-Füllungsmaterialien ohne Gefahr der Überhitzung des Zahnes oder der Gingiva. Vorsicht ist daher geboten bei Lichtgeräten, die anbieten, mit spezifischen Ausstrahlungen (Intensitäten) von über 2.000 mW/cm2 in weniger als 10 s Kompositmaterialien auszuhärten.

Empfohlen werden dagegen Lichtgeräte mit einer spezifischen Ausstrahlung (Intensität) von 800 bis 1.500 mW/cm2 und Belichtungszeiten von 20 s und länger in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungssituationen (siehe unten) [Shortall et al., 2016; Shortall et al., 2016].

Bei der Auswahl eines Polymerisationslichtgeräts sollten somit folgende Aspekte berücksichtigt werden [Price et al., 2015]:

  • Die Leistung des Geräts (mW) gibt mehr Auskunft über die Wertigkeit des Lichtgeräts als die spezifische Ausstrahlung (Intensität, mW/cm2)!
  • Entscheidend ist der Durchmesser des Anteils am Lichtaustrittsfenster, das tatsächlich Licht ausstrahlt (daraus kann die spezifische Ausstrahlung (Intensität) berechnet werden)! Zu empfehlen sind Durchmesser von circa 10 mm.
  • Wichtig ist eine geringe Streuung des Lichts mit zunehmender Distanz (keine Turbotips)!
  • Das Emissionsspektrum und die benötigten Wellenlängen zur Aushärtung des angewendeten Kompositmaterials sollten übereinstimmen!
  • Das Beam Profile, die Verteilung der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) auf der Fläche des Lichtaustrittsfensters, sollte gleichmäßig sein!

Probleme der Anwendung

Studien von Richard Price konnten an Phantomköpfen mit eingebauten Photosensoren eindrucksvoll nachweisen, dass es nicht einfach ist, eine optimale Belichtung am Boden einer Klasse-I-Kavität sicherzustellen und dass die Ergebnisse über verschiedene Anwender hinweg große Streuungen aufzeigen [Price et al., 2010] (Abbildung 10). Eine erfolgreiche Lichthärtung besteht eben nicht nur darin, das Lichtgerät einzuschalten, in den Mund des Patienten zu halten und davon auszugehen, dass das applizierte Kompositmaterial bis auf den Boden der Kavität vollkommen ausgehärtet wird.

Auf eigenen Fortbildungsveranstaltungen haben Messungen am Phantomkopf MARC® (Abbildung 11) schon so einige Kolleginnen und Kollegen davon überzeugen können, wie schnell die optimale Linie der Belichtung in einer simplen Klasse-I-Kavität verlassen wird, wenn die Positionierung nicht visuell überprüft und gegebenenfalls korrigiert wird.

Am Phantomkopf MARC® kann ebenfalls leicht nachvollzogen werden, dass durch Veränderungen des Einfallswinkels Teile des applizierten Komposits nicht mit ausreichend Lichtenergie bestrahlt werden. In Studien von Price konnte nachgewiesen werden, dass eine Winkelabweichung von 30 Grad bereits zu einer Abnahme der Bestrahlungsstärke auf der beleuchteten Fläche um 26 Prozent führt [Price et al., 2010]. Außerdem kommt es bei schrägen Lichteinfallswinkeln zu Schattenbildungen in der Kavität, wodurch eventuell Teile des Komposits gar nicht vom Licht erreicht werden.

Zur Sicherstellung einer effektiven Lichthärtung des Komposits kann es daher nötig sein, in mehreren überlappenden Zyklen die Lichthärtung durchzuführen. Die effektive Lichthärtung kann auch unterstützt werden, wenn nach Abnahme des Metall-Matrizenbandes nochmals der approximale Kasten von bukkal und oral belichtet wird [Shortall et al., 2016; Shortall et al., 2016a]. Dabei muss bedacht werden, dass die Abschwächung des Lichts beim Passieren eines 2 mm dicken Restaurationsmaterials (direkte und indirekte Komposite, CAD/CAM-Keramiken, Zahnwand) hoch ist und zwischen 59,9 Prozent (Bulk-Fill Venus, Kulzer) und 94,9 Prozent (CAD/CAM VITA Enamic) variiert. Daher können Polymerisationsdefizite durch zusätzliche Belichtung am Ende des Restaurationsprozesses nur schwer ausgeglichen werden. Die für die Zahnstruktur gemessenen Werte liegen mit circa 90 Prozent am oberen Ende dieses Bereichs. Die Lichtdurchlässigkeit nimmt exponentiell mit der Dicke ab, so dass durch eine 3 mm dicke Zahnwand so gut wie kein Licht mehr dringt (< 25 mW/cm², wenn die spezifische Ausstrahlung (Intensität) 1.174 mW/cm² betrug). Dieser Wert kann in einer klinischen Situation sogar deutlich geringer ausfallen, wenn ein Lichtgerät mit geringerer spezifischer Ausstrahlung (Intensität) verwendet, der Abstand erhöht wird oder das Lichtaustrittsfenster nicht senkrecht zur Oberfläche appliziert werden kann. All diese Aspekte stellen den Vorteil einer zusätzlichen Polymerisation durch die Zahnstruktur infrage und begrenzen sie oft auf einen thermischen Effekt [Ilie and Furtos, 2019].

Abbildung 10: Aufzeichnung der Bestrahlungsstärke am Boden einer 4 mm tiefen Kavität bei Anwendung eines Lichtgeräts durch verschiedene Studienteilnehmer (rot vor und grün nach Instruktion zur korrekten Abstützung) | Blunck

Abbildung 11: MARC®-Phantomkopf mit kalibrierten Sensoren im Front- und im Seitenzahnbereich zur Aufzeichnung der Bestrahlungsstärke während der Anwendung für eine simulierte Lichthärtung | Blunck

Expertenempfehlungen

Auf einer Konferenz zur Lichtpolymerisation in Halifax, Kanada, wurden von Experten aus Wissenschaft und Industrie Leitlinien als Konsens nach zweitätigen Diskussionen zu diesem Thema zusammengestellt. Folgende Hinweise zur Anwendung eines Licht-Polymerisationsgeräts wurden dabei gegeben [Price, 2014]:

  • Prüfen Sie regelmäßig die spezifische Ausstrahlung (Intensität)!
  • Kontrollieren Sie das Lichtaustrittsfenster auf Verunreinigungen!
  • Wählen Sie die korrekte Belichtungszeit für das spezifische Kompositmaterial!
  • Applizieren Sie das Komposit in der korrekten Schichtstärke!
  • Berücksichtigen Sie die Entfernung zwischen Lichtaustrittsfenster und Komposit!
  • Beachten Sie, dass die gesamte applizierte Kompositmasse genügend Bestrahlungsstärke empfängt!
  • Bedenken Sie mögliche Hitzeschäden!
  • Schützen Sie Ihre Augen!

Fazit

Damit ein Kompositmaterial seine Eigenschaften voll entwickeln kann, muss die Polymerisation zu einer optimalen Vernetzung der Monomere führen. Bei lichthärtenden Produkten muss dazu eine ausreichende Belichtungsdosis das Kompositmaterial erreichen, die sich in einer einfachen Approximation aus dem Produkt der Bestrahlungsstärke (mW/cm2) und der Belichtungszeit berechnen lässt. Die wirksame Bestrahlungsstärke wiederum ist abhängig von der spezifischen Ausstrahlung (Intensität) des Geräts, der Entfernung vom Lichtaustrittsfenster, dem Winkel der Einstrahlung und der Schichtstärke des applizierten Kompositmaterials. Das kann nur mit visueller Kontrolle des Belichtungsvorgangs mit Augenschutz erfolgen.

Die Lichtpolymerisation ist also ein komplexer Vorgang, dem genügend Aufmerksamkeit gewidmet werden muss! Es kommt somit nicht auf eine möglichst schnelle, sondern auf eine maximal mögliche Aushärtung an, um dauerhafte Restaurationen erfolgreich legen zu können.

OA Dr. Uwe Blunck
Charité – Universitätsmedizin Berlin
CharitéCentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde, Abteilung für Zahnerhaltung und Präventivzahnmedizin
Aßmannshauser Str. 4–6
14197 Berlin
ublunck@charite.de

Prof. Dr. Dipl-Ing. Nicoleta Ilie
Klinikum der Universität München, LMU München
Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie
Goethestr. 70
80336 München
nilie@dent.med.uni-muenchen.de

Oberarzt Dr. Uwe Blunck

· 1975 Approbation als Zahnarzt
· 1987 Promotion zum Dr. med. dent.
· 1975–1977 Tätigkeit als Assistent in zahnärztlicher Praxis
· 1977–1984 Wissenschaftlicher Mitarbeiter Abteilung Zahnerhaltung und Parodontologie der Freien Universität Berlin
· 1984 Ernennung zum Oberarzt in der Abteilung für Zahnerhaltung an der Zahnklinik Nord der Freien Universität Berlin
· 1990/91 Neun Monate Forschungsaufenthalt an der University of Florida, Gainesville, USA
· 1994 Oberarzt in der Abteilung für Zahnerhaltung und Präventivzahnmedizin am Zentrum für Zahnmedizin (nach Übernahme der Zahnklinik Nord ins Universitätsklinikum Charité)
· 2003–2008 Oberarzt in der Abteilung für Zahnerhaltung und Parodontologie
· 07.2011– 06.2013 Kommissarischer Leiter der Abteilung für Zahnerhaltung und Präventivzahnmedizin im CharitéCentrum für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde
· seit 2013 Oberarzt unter der Abteilungsleitung von Prof. Sebastian Paris


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Andreas Born
Völlig überzogene Darstellung und für mich als Praktiker kein Gewinn für den Alltag!

Vor 10 Monaten 5 Tagen
1575834040
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