Im Juni 2009 stellte Glidewell Laboratories den Ärzten in den Vereinigten Staaten das Zirkoniumdioxidmaterial BruxZir Solid Zirconia vor, dessen Einführung durch neue und ästhetischere Behandlungsoptionen der Branche einen transformatorischen Schub eingebracht hat. Während immer mehr Ärzte landesweit dieses Material in ihre Praxen einführten, entdeckten sie weitere Indikationen, für die das Material geeignet ist. Später, im März 2015, stellte Glidewell Laboratories BruxZir Anterior vor, eine noch ästhetischere, lichtdurchlässigere Zirkoniumdioxidvariante, die viele Ähnlichkeiten mit dem ursprünglichen BruxZir Solid Zirconia hatte.
Dieser Artikel beschreibt die Unterschiede zwischen BruxZir Anterior und BruxZir Full-Strength (ursprünglich „BruxZir Solid Zirconia“) und die Feinheiten der jeweiligen Herstellungsprozesse. Da beide Formulierungen in ihren jeweiligen Kategorien besondere Eigenschaften aufweisen, ist es wichtig, dass Zahnärzte die Materialien und die jeweiligen spezifischen Indikationen kennen.
Zirkoniumdioxid-Pulver
Werkstoffkundler und Ingenieure vieler Disziplinen haben sich für Zirkoniumdioxid (ZrO2) aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften wie dem hohen Schmelzpunkt, der hervorragenden Festigkeit und die signifikante Bruchzähigkeit. interessiert. Natürliches Zirkoniumdioxid kommt am häufigsten in Form des Minerals Baddeleyit vor. In seiner Reinform liegen die einzelnen Zirkoniumdioxidkristalle hinsichtlich Form und Struktur bei Raumtemperatur in einer bestimmten kristallinen Phase vor. Nach dem Erhitzen wechselt Zirkoniumdioxid mit dem Erreichen immer höherer Temperaturen zweimal die Phase, wobei jede Phasenumwandlung mit einer Volumenänderung einhergeht. Nach dem Abkühlen kehrt sich die Abfolge der Phasenumwandlung wieder um und führt zu volumenänderungsinduzierten Spannungen, die signifikant genug sind, um Zirkoniumdioxidstrukturen aufbrechen zu lassen. Reines Zirkoniumdioxid erfährt also Phasenumwandlungen, die zu Volumenverschiebungen führen, die das Material in dieser Form für zahnärztliche, medizinische und technische Anwendungen ungeeignet machen würden.
Um diese unerwünschten Phasenverschiebungen zu verhindern, wird Zirkoniumdioxid mit anderen Oxiden vermischt (das heißt, dotiert oder stabilisiert), sodass die typischerweise nur bei höheren Temperaturen exprimierten Phasen bei Raumtemperatur stabil werden. Häufig verwendete Dotierstoffe sind Yttriumoxid, Calciumoxid, Samariumoxid, Magnesiumoxid, Lanthanoxid und Ceroxid.
Yttriumoxid gehört zu den gängigsten Zusätzen für die Zirkoniumdioxidstabilisierung, da es einen Mix vorteilhafter mechanischer Eigenschaften bietet. Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumdioxid führt zu einem weiß gefärbten stabilisierten Zirkoniumdioxidprodukt, das dann weiter gefärbt und für zahnmedizinische Anwendungen getönt werden kann.
Bei Glidewell Laboratories wurden zwei spezifische Zirkoniumdioxidmaterialien entwickelt, BruxZir Full-Strength und BruxZir Anterior, wobei der Hauptunterschied zwischen den beiden Produkten die Menge an Yttriumoxid ist, die verwendet wird, um die jeweilige Version zu stabilisieren. BruxZir Anterior (etwa 9 Gew.-Prozent Yttriumoxid) enthält fast doppelt soviel Yttriumoxid wie BruxZir Full-Strength (ca. 5 Gew.-Prozent Yttriumoxid) und bietet verschiedene Eigenschaften für die endgültige Zahnrestauration. Von Anfang an wurden bei der Entwicklung der beiden Produkte bestimmte Endziele verfolgt. Bei BruxZir Full-Strength ist das Ziel, eine Vollkeramik mit unübertroffenen Festigkeits-, Span- und Bruchfestigkeitseigenschaften zu schaffen. BruxZir Anterior hingegen wurde für mehr lebensechte Ästhetik und natürliche Transluzenz in Kombination mit hohen Festigkeitseigenschaften entwickelt.
Pulververarbeitung und Fertigung von BruxZir Full-Strength
BruxZir-Full-Strength-Fräsrohlinge, die bei der Herstellung von BruxZir-Full-Strength-Restaurationen von Glidewell Laboratories und autorisierten BruxZir-Dentallaboren auf der ganzen Welt eingesetzt werden, werden in einem kolloidalen Verfahren hergestellt. Zusammengefasst besteht das kolloidale Verarbeitungskonzept darin, die Beziehung zwischen den Zirkoniumdioxidpartikeln durch Suspendieren in einer Flüssigkeit (typischerweise Wasser) zu kontrollieren. Dieses hohe Maß an Kontrolle erlaubt es den Werkstoffkundlern, der Pulverformulierung spezifische Qualitäten zu verleihen; zum Beispiel können wir durch die Verringerung des Partikelzwischenraums die Homogenität und eine höhere Dichte begünstigen. Beim Zirkoniumdioxid BruxZir Full-Strength ist die Homogenität im Fräsrohling eine wünschenswerte Eigenschaft, da sie zu einer Gleichförmigkeit der Ästhetik und Festigkeit im gesamten Fräsrohling und damit während der gesamten endgültigen Restauration führt.
Als Teil der kolloidalen Manipulation wird das Yttriumoxid-stabilisierte Feinpulver für BruxZir Full-Strength gemischt und gemahlen, was zu einer superfeinen Pulvermischung führt. In der Tat ist BruxZir-Full-Strength-Zirkoniumdioxidpulver über 100-mal feiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares und mehr als zehnmal feiner als die durchschnittlichen suspendierten Partikel in der Umgebungsluft, die wir täglich einatmen.
Das superfeine Zirkoniumoxidpulver wird in Behälter abgefüllt, die für den gewünschten Fräsrohling geformt sind, und der resultierende gegossene Rohling wird danach getrocknet. Nach dem Trocknen werden die Rohlinge teilweise in einem für Biskuitporzellan verwenden Zyklus gebrannt, um den Rohling zum Fräsen zu härten. An diesem Punkt kann der Fräsrohling in einer computergesteuerten Fräsmaschine bei Glidewell Laboratories oder einem autorisierten BruxZir-Dentallabor bearbeitet werden, um den Zahnersatz herzustellen.
Pulververarbeitung und Fertigung von BruxZir Anterior
BruxZir Anterior-Fräsrohlinge werden aus Pulver hergestellt, das aus Granulat besteht, das zweimal feiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares, und das etwa 50-mal größer ist, als die für BruxZir Full-Strength verwendeten Granulate. Diese Granulate fühlen sich an und haben ein Fließverhalten wie gewöhnliches Haushaltswaschmittel und werden tatsächlich mit dem gleichen Sprühtrocknungsverfahren verarbeitet, das typischerweise verwendet wird, um Waschpulver herzustellen.
Die BruxZir-Anterior-Granulate, die einen höheren Yttriumoxid-Anteil aufweisen, enthalten Bindemittel, die ermöglichen, dass die Granulate in die spezifische Form des gewünschten Fräsrohlings gepresst werden. Der so entstehende Fräsrohling wird dann durch einen Biskuit-Brennzyklus geschickt, der das Bindemittel abbrennt und den Fräsrohling für den Einsatz in einer Fräsmaschine härtet.
Kristalline Phase
Abb. 1 Zirkoniumdioxid-Kristalle erleben eine Phasenänderung, wenn sie erhitzt und abgekühlt werden. Bei Zirkoniumdioxid für die zahnmedizinische Anwendung wird die Kontrolle über diese Phasenänderungen durch die Zugabe von Yttriumoxid erreicht.
Die spezifischen physikalischen Eigenschaften jedes BruxZir-Materials werden durch die Zusammensetzung ihrer jeweiligen Pulverformulierungen bestimmt, wobei die gewünschten Qualitäten jedes Materials bereits vor der Erstellung der Rohlinge vorhanden sind. Der wesentliche Unterschied ist der Yttriumoxid-Anteil der einzelnen Versionen, der die Voraussetzungen der resultierenden Materialien bestimmt, um unterschiedliche Eigenschaften zu erhalten.
Wie bereits erläutert, treten Phasenverschiebungen auf, wenn Zirkoniumoxid erhitzt und abgekühlt wird. Auf der kristallinen Ebene (das heißt, in der geordneten Anordnung von Atomen und Ionen) führt die Zugabe von Yttrium zu einer Veränderung der Form des Zirkoniumdioxidkristalls (und damit der Phase).
Mischungen, bei denen der Yttrium-Gehalt einen bestimmten Schwellwert überschreitet, weisen bei Raumtemperatur Kristallstrukturen auf, die auf allen Seiten gleichmäßig symmetrisch sind, wie ein Würfel. BruxZir-Anterior-Zirkoniumdioxidkristalle überschreiten diesen Schwellenwert, weshalb die Kristallgitter überwiegend kubisch mit gleich langen Vektoren in x-, y- und z-Achsenrichtung sind (Abb. 1).
BruxZir Full-Strength hat einen geringeren Yttrium-Anteil, was zu Zirkoniumdioxid-Kristallen führt, die sich bei Raumtemperatur nicht in einer vollständig symmetrischen Phase befinden. Diese tetragonalen Kristalle sind wie ein rechteckiger Quader geformt. In einem Quader sind die Längen der x- und y-Vektoren kürzer als die des z-Vektors (Abb. 1).
Zusätzlich gibt es noch eine dritte Kristallphase für Zirkoniumdioxid, die monokline Phase genannt. Kristalle in der monoklinen Phase haben ungleiche Vektorlängen in den x-, y- und z-Achsen und haben einen geneigten Schnittpunkt (Abb. 1) . Bei Zirkoniumdioxid, das nicht mit Yttriumoxid behandelt wird, hat das Material bei Raumtemperatur diese monoklinen Kristalle. Wie bereits beschrieben, ist diese reine Phase von Zirkoniumdioxid nicht für die medizinische oder technische Verwendung geeignet.
Daher bestehen die BruxZir-Full-Strength-Formulierungen bei Raumtemperatur vorwiegend aus quaderförmigen Kristallen (also einer tetragonalen Phase), während die BruxZir-Anterior-Formulierungen überwiegend aus kubischen Kristallen (und dementsprechend einer kubischen Phase) bestehen. BruxZir Anterior enthält neben der kubischen Phase eine kleine Menge an tetragonaler Phase.
Transluzenz in Abhängigkeit des Kristalltyps und der Phasenzusammensetzung
Abb. 2 Diagramm über die Wechselwirkung von Licht mit einer Zirkoniumdioxidstruktur. Man beachte, wie das Licht reflektiert, gebrochen und gestreut wird, da es mit mehreren Quellen interagiert, wie Korngrenzen, Phasen, Poren, Verunreinigungen, Leerstellen und Defekte.
Einkristalle verbinden sich zu Körnern, woraufhin sich Körner zu einem Monolithen vereinigen. Die Oberflächen eines jedes Kornes sind im Monolithen zufällig ausgerichtet, während die Bereiche, in denen sich einzelne Körner berühren, Korngrenzen genannt werden.
Wenn Licht in das Innere einer Zirkoniumdioxidkeramik übertragen wird, erfährt es eine innere Reflexion und Brechung. Dieses Phänomen wird als Streuung bezeichnet. Diese interne Lichtstreuung kann aus der Wechselwirkung des Lichts mit mehreren Quellen resultieren, einschließlich Korngrenzen, Poren, Verunreinigungen, Leerstellen und Defekten (Abb. 2). Ferner tritt auch eine Streuung von Licht auf, wenn ein Lichtstrahl aus einem Bereich mit einem bestimmten Kristallgitter (z. B. kubisch) in einen Bereich mit einem anderen Kristallgitter (z. B. tetragonal) übertritt. Die verschiedenen Kristallformen oder Phasen haben unterschiedliche Brechungsindizes.
Tetragonale Zirkoniumdioxidkristalle sind doppeltbrechend; das heißt, der Brechungsindex wird in verschiedenen kristallographischen Richtungen in verschiedenen Werten ausgedrückt. Ein Licht, das durch einen tetragonalen Zirkoniumdioxid-Kristall in einer kristallographischen Richtung fließt, wird ein anderes Brechungsniveau erfahren, als wenn es durch denselben Kristall in einer anderen kristallographischen Richtung fließen würde. Diese Doppelbrechung führt zu einer Änderung des Brechungsniveaus, das das Licht erfährt, wenn es von einem Korn zum nächsten fortschreitet, da das benachbarte Korn höchstwahrscheinlich nicht die gleiche kristallographische Orientierung aufweist. Dies bewirkt sowohl Reflexion, Brechung als auch Streuung an den Korngrenzen innerhalb eines tetragonalen Zirkoniumdioxidmonoliths, was zu optischen Verlusten und einer verringerten Lichtdurchlässigkeit und Transluzenz führt, wenn sich das Licht durch den Monolith bewegt.
Im Gegensatz dazu hat Zirkoniumdioxid mit kubischen Kristallen einen isotropen Brechungsindex und ist daher in der Lage, Licht effizienter mit weniger Streuung zu übertragen.
In einer gesinterten BruxZir-Full-Strength-Restauration mit tetragonaler Kristallphase würde eine typische Korngröße zwischen 0,3-0,7 Mikrometer (300-700 Nanometer) liegen. Jedes solche Korn besteht aus 600 - 1.400 tetragonalen Kristallen. Jedes Korn wird zufällig in einer anderen kristallographischen Richtung innerhalb des Sinterkörpers ausgerichtet und durch eine Korngrenze getrennt. Jedoch sind die Kristalle innerhalb jedes einzelnen Korns in demselben Muster ausgerichtet. Eine 1-mm dicke Restauration würde etwa 2.000 Körner in Dickenrichtung enthalten. Wenn jedes Korn zufällig orientiert ist und unterschiedliche Lichtbrechung und Streuung aufweist, während Licht von einem Korn zum benachbarten Korn fortschreitet, addiert sich die gesamte optische Streuung für einen eintretenden Lichtstrahl.
Im Vergleich dazu würde bei BruxZir Anterior die typische Korngröße zwischen 1 und 1,5 Mikrometer liegen. Jedes solche Korn besteht aus 2.000 - 3.000 kubischen Kristallen. Die kubischen Kristalle haben einen isotropen Brechungsindex (das heißt, den gleichen Brechungsindex in allen kristallographischen Richtungen). Eine 1-mm dicke Restauration enthält etwa 1.000 Körner in Dickenrichtung, die alle zufällig angeordnet sind. Da der Brechungsindex jedes Korns gleich ist, ist unabhängig von seiner zufälligen Orientierung die optische Streuung in BruxZir Anterior wesentlich geringer als bei BruxZir Full-Strength. Weil bei BruxZir Anterior weniger Streuung auftritt, kann mehr Licht durch den Zirkoniumdioxid-Monolithen hindurchgehen, weshalb BruxZir Anterior eine höhere Transluzenz und damit eine bessere Ästhetik aufweist als sein Gegenstück mit einem geringeren Yttrium-Anteil.
Der Vorteil von BruxZir Full-Strength Zirkoniumoxid
Abb. 3 Das Spannungsfeld an der Spitze des Risses, das sich durch eine tetragonale Zirkoniumdioxidstruktur bewegt, bewirkt, dass sich die tetragonalen Kristalle zu monoklinen Kristallen umwandeln, wodurch eine erhöhte Volumenmenge, die dann gegen den Riss drückt, die Rissausbreitung wirksam stoppt.
Welcher Nutzen kann aufgrund der rechteckigen quaderförmigen (tetragonalen) Kristalle von BruxZir Full-Strength erwartet werden, wo doch BruxZir Anterior aus kubischen isotropen Kristallen besteht, die ein höheres Maß an Transluzenz für die Krone schaffen?
Wie bereits erwähnt, ist unbehandeltes Zirkoniumdioxid (ohne Yttrium-Zugabe) bei Umgebungstemperatur in der monoklinen Phase am stabilsten. Die BruxZir-Full-Strength-Formulierung enthält Yttriumoxid; jedoch nicht so viel, um kubische Kristalle herzustellen. Die entstehenden Kristalle bei BruxZir Full-Strength sind bei Raumtemperatur rechteckig quaderförmig, mit einer natürlichen Tendenz, sich zu den stabileren monoklinen Kristallen zu bewegen. Diese Neigung, von tetragonal zu monoklin zu wechseln, wird weitestgehend durch die Anwesenheit von Yttriumoxid verhindert; dennoch kommt es vor, dass dieser Drang nach einem Phasenwechsel nicht gänzlich verhindert werden kann.
In einem tetragonalem Zirkoniumdioxid vorbehaltenen Prozess kommt ein Aufhärtungsmechanismus zum Tragen, wenn ein Riss entsteht. Wenn ein Spannungsfeld an der Spitze des Risses auf die rechteckigen quaderförmigen (tetragonalen) Kristalle einwirkt, wechselt die Phase zu monoklinen Kristallen (das heißt, zu der ursprünglichen bevorzugten stabilen Phase), wodurch sich das Volumen vergrößert. Diese in der unmittelbaren Umgebung der Rissspitze stattfindende Volumenausdehnung drückt gegen den Riss und verhindert, dass dieser sich fortpflanzt. Dieser Mechanismus wird Transformationsverhärtung genannt (Abb. 3). Effektiv wird das Fortschreiten eines Risses gestoppt, weil der Phasenwechsel eine Expansion auf kristallinem Niveau des Zirkoniumdioxidmaterials auslöst, die den Riss abdichtet und der Risskraft entgegenwirkt.
Diese Transformationsverhärtungseigenschaft bedeutet, dass, wenn ein Riss sich durch das BruxZir Full-Strength-Material ausbreitet, die Belastung an der Spitze dieses Risses eine Phasenänderung auslöst, was dazu führt, dass die Vorwärtsbewegung des Risses angehalten wird. Hierbei sei anzumerken, dass dies auf mikroskopischer Ebene geschieht und dass ein Arzt nicht erwarten sollte, dass sich sichtbare Risse vor dem bloßen Auge von selbst schließen.
Neben der besten Biegefestigkeit seiner Klasse des BruxZir-Full-Strength-Materials wird die strukturelle Integrität jeder Krone durch den Prozess der Transformationsverhärtung weiter geschützt. Mikroskopische Risse, die in dem Material auftreten, werden durch die transformationsverhärtende Eigenschaft von tetragonalen Zirkoniumdioxidkristallen gestoppt.
Abb. 4 Diese Grafik zeigt die Unterschiede zwischen den Biegefestigkeiten der beiden Zirkoniumoxid-Versionen der Marke BruxZir.
Abb. 5 Herstellerempfehlungen für Vorbereitungen.
Auswahl des richtigen Materials
Sowohl BruxZir Full-Strength als auch BruxZir Anterior zeigen Biegefestigkeiten, die deutlich über denen anderer zahnfarbener restaurativer Dentalwerkstoffe liegen, wie zum Beispiel Lithiumdisilikat, Composite und feldspathaltige Keramik (Abb. 4). Bei der Auswahl einer der beiden BruxZir-Materialien sollte die Auswahl auf folgenden Kriterien basieren: lebensechte Transluzenz, hohe Ästhetik und gute Festigkeit (BruxZir Anterior) gegenüber Bruchzähigkeit, höchster Festigkeit und guter Ästhetik (BruxZir Full-Strength).
Es ist von größter Wichtigkeit zu beachten, dass der Unterschied der Festigkeiten beider BruxZir-Materialien unterschiedliche intraorale Präparationen garantiert, während BruxZir Anterior etwas mehr Reduktion als BruxZir Full-Strength erfordert (Abb. 5). Weiterhin bedeutet die niedrigere Festigkeit von BruxZir Anterior im Vergleich zu BruxZir Full-Strength, dass die Anterior-Variante nicht für weitspannige Brücken im posterioren Bereich indiziert ist. Im Vergleich zu der großen Auswahl an restaurativen Materialien, die Ärzten zur Verfügung stehen, ist BruxZir Anterior zwar immer noch ein hochfestes Material, wenn auch nicht ganz so beständig wie BruxZir Full-Strength.
Fazit
Die Herstellungsprozesse von BruxZir Full-Strength und BruxZir Anterior unterscheiden sich bereits von Beginn an. Die Materialien und ihre jeweiligen Fertigungsprozesse sind speziell dazu konzipiert, unterschiedliche Ziele zu erreichen. Zahnärzte. die dies im Auge behalten und beim Einsatz der jeweiligen Materialien den Herstellerspezifikationen folgen, werden mit hoch festen Zirkoniumdioxid-Kronen belohnt, die speziell auf qualitativ hochwertige Zahnmedizin zugeschnitten sind.
