Textur- und Mikrostrukturanalysen an Materialien für den direkten und indirekten Zahnersatz

Abstract

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.