Prof. Dr. Martin Rosentritt

Jeder Verbund ist in der Mundhöhle den unterschiedlichsten Belastungen unterworfen. In der Zahntechnik spielt der Verbund zu Kunststoffen eine besondere Rolle, denn viele Restaurationen basieren auf Methacrylaten wie Polymethylenmethacrylat (PMMA) oder deren Derivaten. In diesem Beitrag aus der Quintessenz Zahntechnik stellt Prof. Dr. Martin Rosentritt die verschiedenen Kriterien und Schritte für die möglichst optimale Verbundherstellung am Beispiel einer Zahnprothese vor.

Die Quintessenz Zahntechnik, kurz QZ, ist die monatlich erscheinende Fachzeitschrift für alle Zahntechniker und zahntechnisch interessierte Fachleute, die Wert auf einen unabhängigen und fachlich objektiven Informationsaustausch legen. Im Vordergrund der Beiträge und Berichterstattung steht die Praxisrelevanz für die tägliche Arbeit. In dieser Zeitschrift finden sich Zahntechniker, Dentalindustrie und die prothetisch orientierte Zahnarztpraxis mit ihren Anliegen nach einer hochwertigen Fortbildung gleichermaßen wieder. Zur Online-Version erhalten Abonnenten kostenlos Zugang. Mehr Infos zur Zeitschrift, zum Abo und zum Bestellen eines kostenlosen Probehefts finden Sie im Quintessenz-Shop.

Das Thema Verbund spielt in der Zahnheilkunde eine sehr bedeutete Rolle. Verschiedenste Materialien müssen laufend verbunden werden. Der Zahnarzt hat verschiedene Optionen, um eine Restauration definitiv auf dem Pfeilerzahn zu verankern: verschiedene Zementtypen (Glasionomer, Zinkoxidphosphat, Eugenol, kunststoffmodifizierte Varianten), selbstätzende (selbstadhäsive) Befestigungsmaterialien oder rein adhäsive Befestigungssysteme mi unterschiedlichen Vorbehandlungen und Konditionierungen in verschiedenen Flaschenvarianten. Allein dieses komplexe Thema füllt einige Bücher. Von zahntechnischer Seite kommen in diesem Bereich die Reinigung, Vorbehandlung und Aktivierung der Restauration dazu. Nimmt man die Varianten zahntechnischer Versorgungen hinzu, stellt sich das Thema Verbund für den Zahntechniker sehr komplex dar.

Anforderungen

Jeder Verbund ist in der Mundhöhle den unterschiedlichen Belastungen unterworfen, die von einer Kaukraft von bis zu 1.000 Newton (N) bei Bruxismus, über Temperaturschwankungen zwischen 0 und 80 Grad Celsius oder auch Langzeiteinflüssen wie Hydrolyse oder Angriffen durch Nahrungsmittel (Fruchtsäuren) reichen. Die Belastungen variieren in Größe und Form in den Front- und Seitenzahnregionen mit unterschiedlichen Biege-, Torsions- (Front) oder Druckbelastungen (Seitenzahn), teilweise kombiniert mit Abrasions- und Attritionskomponenten bedingt durch Lateralbewegungen oder abrasive Nahrungsmittel. Daher werden im Frontzahnbereich Mindeststabilitäten für die Konstruktionen von ca. 250 bis 300 N, im Seitenzahnbereich sogar bis zu 500 N gefordert. Auch wenn die durchschnittliche Kaukraft „nur“ zwischen ca. 10 und 70 N schwankt, so bewirkt sie doch über die Zeit eine stetige funktionelle Belastung. Bei bis zu gefordert 30-mal Kauen bei jedem Bissen oder bei bis zu zwei Millionen Kauzyklen in fünf Jahren kommt einiges an Belastung für den Zahnersatz und damit an Ermüdung und Alterung zusammen. Das wirkt sich vor allem dort aus, wo zwei Materialien miteinander verbunden werden sollen. Als Schwellwert für eine ausreichende Verbundfestigkeit im Scherhaftversuch zum Beispiel für eine Kunststoffverblendung werden immer wieder 10 MPa (=N/mm²) gefordert. Wichtig ist auch, dass der Verbund abgedichtet ist, zum Beispiel gegen das Eindringen von Feuchtigkeit oder Bakterien. Neben den Belastungen in der Mundhöhle entstehen bei der Fertigung der Restaurationen Spannungen auf den Verbund, die ebenfalls zur Beschädigung mit einer teilweisen Ablösun bis hin zum Totalversagen des Haftverbundes führen können. Versagt der Verbund zwischen den Werkstoffen, spricht man von adhäsivem Versagen. Sind im Gegensatz dazu die Basis- oder zugefügten Werkstoffe in ihrem Zusammenhalt beschädigt, so handelt es sich um einen kohäsiven Bruch. Variationen werden als Mischbrüche gekennzeichnet.

Ein optimaler Verbund beruht im Allgemeinen auf drei Säulen: einer mechanischen Verankerung, einer physikalischen Wechselwirkung und einem chemischen Haftverbund.

Für zahn- und implantatgetragene prothetische Versorgungen gibt es heute eine hohe Zahl an zahnfarbenen Werkstoffen. Bei der ADT-Jahrestagung 2019 hat Rosentritt einen Überblick über die verschiedenen Materialgruppen sowie einzelne Werkstoffe gegeben. Woran sich der passende Werkstoff für die spezielle Indikation festmachen lässt, sagt er im Video. (Video: Quintessence News/ QTV)

Aufgrund der vielfältigen Optionen, Zahnersatz in verschiedenen Technologien herzustellen, sind in der Zahntechnik gute Verbundeigenschaften zu allen bekannten Materialien wie Metallen, Keramiken, Kunststoffen, Silikonen oder zum Beispiel auch Fasern (Glas, Thermoplaste) gefordert. Eine Auswahl an zahntechnischen Systemen zeigt das breite Materialspektrum der Zahntechnik, in der ein guter Verbund von entscheidender Bedeutung sein kann:

• Prothesenzähne,
• Prothesenbasis,
• Komposite (Verblendung),
• Provisorien,
• Schienen,
• Lacke,
• Malfarben,
• Unterfütterung (zum Beispiel weichbleibend mit Silikon),
• Armierungsfasern (Metall, Glas- und thermoplastische Fasern).

In der Zahntechnik spielt der Verbund zu Kunststoffen eine besondere Rolle, denn viele Restaurationen basieren auf Methacrylaten wie Polymethylenmethacrylat (PMMA) oder dessen Derivaten. Allerdings variieren die Materialzusammensetzungen stark, denn die Möglichkeiten, die verschiedenen Bestandteile miteinander zu kombinieren, sind vielfältig und hängen von den jeweiligen Einsatzbedingungen ab. Eine generelle Handlungsempfehlung, so wünschenswert sie wäre, lässt sich daher auch für den Verbund zu Methacrylaten nicht geben.

Tab. 1 Verschiedene Optionen, zahntechnische Materialien miteinander zu verbinden.

Um einen optimalen Verbund generieren zu können, sollte man zuerst die vorliegende Situation bewerten. Welche Materialien werden prinzipiell mit Kunststoff kombiniert und ist ein dauerhafter Verbund gefordert? Oft werden, zum Beispiel bei einer Reparatur, nicht immer neue und nicht bereits kontaminierte Materialien zusammengefügt, sondern bereits der Mundhöhle ausgesetzte und somit kontaminierte oder auch bereits bearbeitete Materialien. Je nach Situation können unterschiedliche Vorgehensweisen gefordert sein. Eine Ausnahme im Bereich des Verbundes stellen eine Fixierung oder eine provisorische Befestigung dar, da hier ein lösbarer, nicht permanenter Verbund gewünscht wird. Tab. 1 zeigt die verschiedenen Optionen, Materialien zu verbinden.

Abb. 1 Eine in Wachs ­aufgestellte Ober- und Unterkieferprothese.

Abb. 2 Gesäubertes Unterkiefermodell und Silikonschlüssel mit aufgerauten Zähnen, vorbereitet zum Einlaufen des Kunststoffes.

Abb. 3 Unterkieferprothese nach dem Einlaufen des Kunststoffes, Polymerisation im Drucktopf und dem Entfernen des Silikonschlüssels.

Abb. 4 Ausgearbeitete Unterkieferprothese.

Ein gezieltes Vorgehen zur optimalen Verbindung erfordert die genaue Kenntnis der Materialzusammensetzung oder das Vorliegen der entsprechenden Verarbeitungsanleitungen. Als Beispiel sei hier die Prothese (Abb. 1 bis 4) genannt, bei der nach wie vor das Ausbrechen von Prothesenzähnen eines der größten Ausfallrisiken ist.^5,7 Bei Prothesenzähnen kann die Frage, ob es sich bei dem Zahn um unvernetztes PMMA, gefülltes PMMA, vernetztes PMMA, gefülltes und vernetztes PMMA oder Komposite handelt, von entscheidender Bedeutung für das zu bevorzugende herstellerspezifische Verbundverfahren sein.⁹ Bei Reparaturen ist die Situation deutlich schwieriger, da nicht klar ist, welches Material (bei Prothesen Licht-/Heiß-/Kaltpolymerisat, Thermoplast⁴) vorliegt. Ein entsprechender Patientenpass, der Aufschluss geben könnte, liegt meist nicht vor, und der Patient hat aufgrund der vorhandenen Probleme eventuell bereits den Zahnarzt/Zahntechniker gewechselt. Die Vielfalt der möglichen Werkstoffe ist enorm und erschwert die optimalen Maßnahmen. Von entscheidender Bedeutung für den Haftverbund sind daher einige Aspekte, auf die im Folgenden besonders in Bezug auf den Verbund Prothesenzahn-Prothesenbasis eingegangen werden soll.

Materialbestimmung

Einfache Austestungen an nicht sichtbaren Bereichen der Prothese können einen Anhaltspunkt für die Reparatur liefern um festzustellen, um welchen Typ von Prothesenbasismaterial oder um welches Zahnmaterial es sich handelt oder ob ein vorhandenes Monomer das entsprechende Material anlösen kann. Ein Test mit der Hartmetallfräse kann zeigen, welches Zahnmaterial vorliegt: PMMA ist weicher und bildet Späne aus, während Komposite deutlich härter sind und beim Bearbeiten meist feiner Schleifstaub entsteht.

Belastungssituation

Die stärksten Belastungen für den Verbund treten erwartungsgemäß in Kaulast tragenden Bereichen auf. Um die Situation für den Verbund zu entschärfen, helfen einfach Maßnahmen wie die Verbundübergänge außerhalb solcher Kontaktbereiche zu lokalisieren. Für die Prothese gilt zum Beispiel, dass Frontzähne aufgrund der im Vergleich zum Seitenzahn stärkeren Biegebelastung von lingual stärker umfasst werden sollten. Implantatgetragene Prothesen sind meist bruchgefährdeter, da die Prothesenzähne im Bereich der Sekundärteile ausgehöhlt werden müssen.¹⁰ Oft ist das nachträglich aufgebrachte Material schwächer als der Grundwerkstoff, daher sollte dessen Menge gering und die Dicke gleichmäßig gering erhalten werden. Das gilt auch für die Dicke einer Klebefuge oder Verblendung. Um die Belastungssituation zu entschärfen, reichtb schon eine geringfügig flachere und/oder rundere Gestaltung der Höcker aus, wodurch eine homogenere Kraftverteilung und damit niedrigere Kraftspitzen resultieren und das Okkusions- und Funktionskonzept nicht nachhaltig negativ beeinflusst werden muss. Nur eine Notlösung ist es, die betroffenen Bereiche aus der direkten Okklusion zu nehmen.

Tab. 2 Retention/mechanische Verankerung (Strahlen, Ätzen, Aufrauen).

Verbundfläche/Defektgröße

Es gilt: Je größer die Verbundfläche, desto erfolgversprechender der Verbund. Reparaturen sind im Allgemeinen erfolgreicher, je kleiner der Defekt ist. Eine gezielte mechanische Aufrauung (kreuzverzahnte Fräse, Strahlen mit wenig Druck, zum Beispiel 50 µm und 1 bis 2 bar) oder eine effektive Retention⁸ (besonders wichtig bei Licht- und Autopolymerisaten sowie Thermoplasten) vergrößern in erster Linie die Verbundfläche und reinigen diese. Werden Retentionen falsch, also zum Beispiel in mit Kraft beaufschlagten Bereichen eingebracht, können sie die Konstruktion deutlich schwächen (Kerbwirkung). Retentionen dürfen gerade bei Prothesenzähnen auch an der Innenseite nicht kantig gestaltet werden, da es sonst besonders bei spröderen Zähnen zur Fraktur kommen kann. Gut geeignet für das Einbringen von Retentionen sind im Allgemeinen Rosenbohrer, denn damit können auch leicht unter sich gehende Bereiche geschaffen werden. Vorsicht ist bei der Bearbeitung geboten, denn zu große Hitze kann die Materialstruktur der Zähne beschädigen. Die Restwandstärken sind zu beachten und zu kontrollieren, das gilt besonders bei Zähnen mit einer ausgeprägten und tiefen Fissur. Zudem müssen Retentionen so groß sein, dass das Basismaterial gut einfließen kann und sich keine Lufteinschlüsse bilden können. Prothesenzähne sind meist in mehreren Schichten aufgebaut und der Zahnhalsbereich ist für den Verbund zur Prothesenbasis durch geringe Vernetzung optimiert. Zahnkürzungen, Retentionen und Aufrauungen dürfen daher auf keinen Fall diesen Bereich entfernen, da sonst ein Haftverbund bereits grundlegend geschwächt wird. Zudem gilt, dass viele Kunststoffe bei der Aushärtung (reines Methacrylat bis ca. 20 Prozent) schrumpfen, was die Verbundflächen negativ beeinträchtigen kann (Tab. 2).

Reinigung

Eine sorgfältige Reinigung der Oberfläche ist Grundlage jeder Verbindung. Werdendem Beispiel bei Pothesenzähnen Wachs-, Folien- oder Kunststoffreste oder Gipstrennmittel am Zahnhals nicht entfernt, kann der Verbund erheblich eingeschränkt sein. Auch Silikon- oder Ölreste sowie Wasser ( beim Abblasen mit öl- oder wasserhaltiger Druckluft) und Reste von Desinfektionsmitteln reduzieren den Haftverbund. Zudem können sich Staub oder Reste von Strahlgut negativ auf den Verbund auswirken und müssen deshalb entfernt werden. Mit Dampfstrahlern oder unpolaren Reinigern (Isopropanol, n-Heptan) kann PMMA gut gereinigt werden und eine Spannungsrissbildung im Allgemeinen vermieden werden. Isopropanol muss vor dem Klebstoffauftrag allerdings gut ablüften. Polare Lösungsmittel (Aceton, Butanon) sind für die Reinigung eher ungeeignet.

Tab. 3 Einteilung der Primer.

Aktivierung/Vorbehandlung der Oberfläche (Primer)

Die verschiedenen Werkstoffe bedürfen einer individuellen Konditionierung.^1,2,11,13 Tabelle 3 zeigt eine prinzipielle Einteilung der Primer. Prothesenzähne werden im Allgemeinen mit Monomer oder speziellen Haftvermittlern auf Monomerbasis benetzt. Sie müssen einige Minuten auf der Oberfläche verbleiben, um in das Material eindringen zu können, sodass das aterial quellen kann. Es finden physikalische Wechselwirkungen mit der Oberfläche statt. Im Anschluss kann das Material polymerisieren und eine optimale chemische Haftung zum Prothesenbasismaterial aufbauen. Eine aktivierte Oberfläche darf daher unter keinen Umständen erneut gereinigt oder anderweitig kontaminiert werden. Methacrylate können durch Luftsauerstoff (Sauerstoffradikale) oberflächlich an der Reaktion gehindert werden. Es bildet sich eine sogenannte Sauerstoffinhibitionsschicht us, in der nicht polymerisiertes Material vorliegt. Diese Schicht kann das Anbinden weiterer Materialschichten erleichtern. Bei Heißpolymerisaten wird durch eine Penetration der Monomere in den Zahn der Verbund verbessert (Abb. 5). Hier kann ein Anrauen die Penetration sogar erschweren. Bei Kalt- oder Autopolymerisaten wird mit Haftvermittlern gerade im gering vernetzten Halsbereich der Zähne ein guter Verbund vorbereitet. Lichthärtende oder mikrowellenhärtende Systeme benötigen spezielle Aktivierungen, ähnlich wie thermoplastische Prothesenbasismaterialien.

Abb. 5a Zahnschnitt mit Grenzfläche zur ­Prothesenbasis. Durchlicht, ...

Abb. 5b ... Auflicht.

Benetzung und Benetzbarkeit der Materialoberfläche (Bonding)

Die meisten dentalen Werkstoffe zeigen im Vergleich zum Zahn eine hydrophobe, also wasserabweisende Oberfläche. Appliziert man eine Flüssigkeit, so wird die Benetzung beeinflusst durch die Oberflächenspannung des Materials.⁶ Diese wird zum Beispiel in Kontaktwinkelmessungen bestimmt: Je runder ein Wassertropfen auf der Oberfläche wirkt, desto größer der Kontaktwinkel und desto schlechter die Benetzung mit polaren Flüssigkeiten. Ein vorsichtiges Aufrauen oder eine chemisch/physikalische Aktivierung (Monomer, Plasmabehandlung) kann die Benetzung der Oberflächen deutlich verbessern. Zudem ist die Viskosität des aufgetragenen Verbundmaterials von entscheidender Bedeutung für die Benetzung der Materialoberfläche. Im Allgemeinen ist das Trägermaterial fest und ein entsprechendes Material wird in flüssiger oder pastöser Form aufgetragen. Beide Viskositäten haben Vor- und Nachteile. Dünnfließendes Material kann leichter an die gewünschte Position anfließen, besitzt aber keine Standfestigkeit, während man Pasten gezielt an bestimmte Stellen pressen kann. Lufteinschlüsse, die leicht auftreten, wenn man  dünnfließende Materialien selbst mischen muss oder ungeeignete Retentionen vorliegen, reduzieren die Verbundfläche und die Stabilität (Reaktion, Stichwort Sauerstoffinhibition) eines Verbundes oder auch direkt eines Klebers. Hier sind Mischkanülen hilfreich und gewährleisten nebenbei auch ein optimales Mischungsverhältnis. Pastöse Systeme besitzen meist aufgrund eines höheren Füllstoffgehalts eine höhere Stabilität und sind daher für dickere Fugen eventuell besser geeignet. Da die Viskosität stark temperaturabhängig ist, kann das vorsichtige Erwärmen der Materialien (Basis und zu applizierendes Material) eine bessere Benetzung der Oberflächen gewährleisten.

Da die Polymerreaktion temperaturabhängig ist, kann die Reaktionsfreudigkeit verbessert werden, mit dem Risiko, dass der Kleber frühzeitig, schneller oder unkontrolliert erhärtet. Als Hilfsmittel kommen oft sogenannte Bondings zum Einsatz. Diese meist dünnflüssigen (und oftmals nicht oder nur niedrig gefüllten) Methacrylate benetzen die Materialoberfläche sehr gut, bilden einen dünnen Materialfilm aus und erlauben im Anschluss einen guten Haftverbund zur nächsten Materialschicht. Oftmals werden diese Systeme mit opaken Stoffen gemischt („Opaker“), um dadurch metallische oder sehr opake Gerüste optisch zu kaschieren.

Appliziertes Material

Befestigungs-, Ergänzungs- oder Reparaturmaterialien sind je nach Zusammensetzung (Füllstoffe) und Polymerreaktion unterschiedlich stabil. Die Abbindereaktion von Polymermaterialien (Prothesenbasis, Kleber etc.) kann lichthärtend, hemisch oder dual, also licht- und chemisch härtend sein. Kleber können zudem durch die Verdunstung eines Lösemittels erhärten. Für die Verbindung von PMMA-Bauteilen werden in technischen Bereichen zum Beispiel Acrylate (Cyanoacrylat, Methaycrylate etc.), Epoxyte oder bei großflächigen Bauteilen auch Silikone verwendet. In der Zahntechnik basieren die Stoffe meist auf Methacrylaten. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften und eine Steigerung der Verbundfestigkeit kann durch eine Nachpolymerisation oder eine Spannungsreduktion erzielt werden, zum Beispiel durch Nachbehandlung (Wärme etc.). Dies bewirkt eine Verbesserung der Monomerumsetzung und kann zudem den Restmonomergehalt reduzieren.^6,12 

Anmerkung

Wichtig für eine Interpretation von Verbundergebnissen ist die Berücksichtigung der angewandten Testmethoden (Zugtest, Schertest, Pealing etc.), denn das Testverfahren kann sich auf das Ergebnis auswirken. So ist der Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Resultat bei einem Schertest deutlich höher als bei einem Zugtest. Wichtig ist auch, dass sich bei einer Belastung die Geometrien nicht verändern dürfen (Verformung) oder dies zumindest in die Ergebnisse mit einbezogen wird. Die Anforderungen an derartige Tests und die einzuhaltenden Grenzwerte sind für die entsprechenden Werkstoffe zum Beispiel in ISO-, ASTM- oder DIN-Normen definiert. Bedeutsam ist zudem, dass Versuche nicht nur nach 24 Stunden durchgeführt werden. Diese Daten zeigen nur, ob ein ausreichender Anfangsverbund vorliegt, nicht aber, ob das Verbundsystem auch über längere Zeit stabil bleibt. Aussagekräftige Langzeitlagerungen beginnen in der Regel ab einer 90-tägigen Lagerung.³

Zusammenfassung

Um einen optimalen Verbund zu gewährleisten, müssen verschiedene Aspekt in Betracht gezogen werden. Das prinzipielle Vorgehen am Beispiel einer Prothese ist wie folgt:

• Bestimmung des Basismaterials (Test: Monomerapplikation, Schleifen);
• Belastungssituation: Lokalisation außerhalb der Belastungsbereiche, Frontzahn (Biegung 300 N), Seitenzahn (okklusal 500 N);
• Verbundfläche (Aufrauen durch vorsichtiges Strahlen 1 bar/50 µm, Retentionen mit Rosenbohrer);
• Reinigung (Dampfstrahlen, Kontamination vermeiden);
• Aktivierung/Primer (im Allgemeinen Monomer- oder Adhäsiv-Applikation, Vorsicht bei Heiß­­poly­merisaten);
• Benetzen (Bonding, Opaker applizieren);
• appliziertes Material (Typ, Viskosiät, Temperatur beachten).

Ein Beitrag von Prof. Dr. Martin Rosentritt, Regensburg, PD Dr. Bogna Stawarczyk, MSc., München, und Prof Dr. Michael Behr, Regensburg

Literatur

 

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