Textur- und Mikrostrukturanalysen an Materialien für den direkten und indirekten Zahnersatz
Texture and micorstructure analysis of dental materials
von Christiane Diana Hartmann
Datum der mündl. Prüfung:2014-02-13
Erschienen:2014-03-07
Betreuer:PD Dr. Helmut Klein
Gutachter:PD Dr. Helmut Klein
Gutachter:Dr. Heidrun Sowa
Gutachter:Prof. Dr. Werner F. Kuhs
Dateien
Name:Diss_Hartmann_2014.pdf
Size:69.4Mb
Format:PDF
Zusammenfassung
Englisch
Physical properties like hardness, e-modulus and thermal expansion of dental materials are supposed to be nondirectional (isotropic), although these materials can possess directional (anisotropic) properties due to their mineralogical composition. Indeed, the ideal dental restorative should possess similar anisotropic physical properties like the restored tooth, which is – in the case of dental enamel – highly anisotropic. Therefore, already existing materials are examined via x-ray analysis for their mineralogical composition and their anisotropic physical properties first and then compared with natural tooth. Dental composites, denture resins and glass ionomer cements are composed of amorphous components, namely glass filler particles and resin, and show an isotropic physical behaviour: Vickers hardness and e-modulus are in the same range as for dentin, whereas their thermal expansion (35-75∙10-6/K) is considerably higher than that of dentin and enamel (11∙10-6/K and 17∙10-6/K). γ2-free amalgam consists of the crystalline phases Ag2Hg3, Ag3Sn and Cu6Sn5. It shows no preferred orientation and no anisotropic behaviour. Its Vickers hardness and e-modulus (191 HV 0.03/20 and 68 GPa, respectively) are between the values for dentin (70 HV 0.01/30 and 2-29 GPa) and enamel (370 HV 0.01/30 and 10-169 GPa). Its thermal expansion (25.5∙10-6/K) is slightly higher than that of natural tooth. Most dental ceramics are glass ceramics and show a complex mineral texture: the crystallites of the ceramics Cercon base and Vita In-Ceram Alumina are randomly oriented, whereas the ceramics Vita In-Ceram Zirkonia and Vitablocs Esthetic Line show a slightly preferred orientation (4mrd and 3mrd in ODF). Only the crystalline Li2Si2O5-phase of the glass ceramic IPS e.max Press shows a highly preferred orientation (11mrd in ODF). These crystal orientations result in slight anisotropies of the physical properties. With ≥650 HV 0.01/20 their Vickers hardness is markedly higher than that of natural tooth. With the exception of the high-perfomance ceramics, their e-moduli are between 60 GPa and 98 GPa and range between that of dentin and enamel. Their thermal expansion (7.2-10.5∙10-6/K) is below that of dentin and enamel. Gold alloys and non-precious alloys are coarse and contain precipitation phases which harden the alloys. Alloys for crowns have Vicker hardness numbers and e-modulus in the range of dental enamel, whereas the Co-Cr-Mo-alloy used for dental models is considerably harder and more elastic (582 HV 0.03/20; E=211 GPa). Their thermal expansion is between that of dentin and enamel. Titanium endodontic post and the dental implant OsseoSpeed show a highly preferred orientation (21mrd and 19mrd in ODF) and slightly anisotropic physical behaviour. Values for e-modulus and thermal expansion range between 159-167 GPa and 7.62-9.29∙10-6/K, respectively. All in all the differences in the macroscopic physical properties of the examined dental materials in comparison to natural teeth are higher than the variations due to their crystalline composition and texture. Hence, new dental materials should be adapted more to human tooth in general and only in the next step their physical properties can be adapted to the anisotropic behaviour of dental enamel.
Keywords: texture; dental materials; microstructure
Weitere Sprachen
Physikalische Eigenschaften wie Härte, E-Modul und Ausdehnungskoeffizient werden bei Dentalwerkstoffen meist als richtungsunabhängig (isotrop) angenommen, obwohl diese Werkstoffe aufgrund ihrer mineralogischen Zusammensetzung sowie der Kristallitanordnung richtungsabhängige (anisotrope) Eigenschaften haben können. Da auch der menschliche Zahnschmelz, der zu 97 Gew.% aus Hydroxylapatit besteht, eine Anisotropie in seinen physikalischen Eigenschaften aufweist, müsste der optimale Zahnersatz eine ähnliche Anisotropie wie der zu ersetzende Zahn haben.
Auf dem Weg zum optimalen Zahnersatz wurden zunächst bestehende Dentalwerkstoffe mittels Beugungsexperimente auf ihre mineralogische Zusammensetzung und auf ihre anisotropen physikalischen Eigenschaften wie E-Modul und thermische Ausdehnung untersucht und mit den Eigenschaften von natürlichem Zahn verglichen.
Die Dentalkomposite, ein Glasionomerzement und die Prothesenkunststoffe bestehen aus fast nur amorphen Bestandteilen und zeigen insgesamt ein isotropes physikalisches Verhalten: Vickershärtewerte und E-Modul entsprechen in etwa denen von Dentin, während ihre thermische Ausdehnung mit 35-75∙10-6/K gegenüber Dentin und Zahnschmelz (11∙10-6K und 17∙10-6/K) wesentlich erhöht ist.
Das γ2-freie Amalgam besteht aus den kristallinen Phasen Ag2Hg3, Ag3Sn und Cu6Sn5 und weisen ein isotropes physikalisches Verhalten auf. Seine Vickershärte und sein E-Modul liegen mit 191 HV 0,03/20 bzw. 68 GPa zwischen den Werten für Dentin und Zahnschmelz (70 HV 0,01/30 und 2-29 GPa für Dentin sowie 370 HV 0,01/30 und 10-169 GPa für Zahnschmelz). Seine thermische Ausdehnung ist mit 25,5∙10-6/K gegenüber natürlichem Zahn leicht erhöht.
Die meisten Dentalkeramiken sind Glaskeramiken und weisen ein z.T. komplexes Mineralgefüge auf: Bei den Keramiken Cercon base und Vita In-Ceram Alumina wurde eine regellose Anordnung der Kristallite beobachtet. Eine leichte Vorzugsorientierung zeigen hingegen Vita In-Ceram Zirkonia und Vitablocs Esthetic Line mit 4,0fach bzw. 3,5fach regellos in der ODF. Nur die Li2Si2O5-Keramik IPS e.max Press wies eine starke Vorzugsorientierung auf (11fach regellos in der ODF).
Diese Kristallvorzugsorientierungen wirken sich in nur leicht ausgeprägten Anisotropien der makroskopischen physikalischen Eigenschaften aus. Die Dentalkeramiken haben mit ≥ HV 0,01/20 insgesamt deutlich höhere Härtewerte als natürlicher Zahn und liegen mit Ausnahme der Hochleistungskeramiken Cercon base und Vita In-Ceram Alumina / Zirkonia mit ihrem E-Modul von 60-98 GPa zwischen dem von Dentin und Zahnschmelz. Ihre thermische Ausdehnung ist mit 7,2∙10-6/K etwas unterhalb der für Dentin.
Goldlegierungen und NEM-Legierungen sind relativ grobkörnig und bilden Aussscheidungsphasen, die zur Härtung der Legierungen beitragen. Die Legierungen für Kronen haben Vickershärtewerte und E-Modulwerte im Bereich von Zahnschmelz, während die Co-Cr-Mo-Legierung Remanium GM 800+ deutlich härter und elastischer ist (582 HV 0,03/20; E=211 GPa). Die thermischen Ausdehnungswerte der untersuchten Dentallegierungen liegen zwischen der von Dentin und Zahnschmelz.
Der Titanwurzelstift und auch das Titanimplantat OsseoSpeed zeigen eine deutlich ausgeprägte Textur (18fach und 19fach regellos in den jeweiligen ODFs), die zu einem leicht anisotropen Verhalten in den physikalischen Eigenschaften wie E-Modul (159-167 GPa) und thermische Ausdehnung (7,62-9,29∙10-6/K) führen.
Insgesamt sind die Abweichungen in den makroskopischen, physikalischen Eigenschaften der untersuchten Dentalwerkstoffe im Vergleich zu natürlichem Zahn nach beiden Untersuchungsmethoden – instrumentiertes Eindringverfahren und Texturanalyse – größer als die Variationen, die durch ihren kristallinen Aufbau bedingt sind. Daher sollten neue Dentalwerkstoffe zunächst noch besser in ihren isotropen, physikalischen Eigenschaften dem menschlichen Zahn angepasst werden, bevor in einem nächsten Schritt die anisotropen Eigenschaften des Zahnschmelzes imitiert werden.
Schlagwörter: Zahnmaterialien; Textur; Mikrostruktur