Jürgen Steidl, Scientific Glass GmbH, Usingen

Die keramische Verblendung eröffnet dem Zahntechniker alle Möglichkeiten, prothetische Versorgungen so zu gestalten, dass diese fast nicht mehr von den natürlichen Zähnen zu unterscheiden sind. Die VMK-Technik hat sich seit Jahrzehnten bewährt, und die hierfür erforderlichen Materialien haben heute einen sehr hohen Standard erreicht.

Die Verblendung des immer mehr zur prothetischen Versorgung verwendeten Zirkoniumdioxids wird von vielen kritisch betrachtet und dargestellt. Hierbei werden zahlreiche Punkte aufgeführt, die zum Scheitern der keramischen Verblendung eines durchaus überragenden Gerüstmaterials führen können. Vielfach wird vollkommen auf die keramische Verblendung zugunsten monolithischer, vollanatomischer Kronen oder Brücken verzichtet. In diesem Beitrag wird die Verblendung von Zirkoniumdioxid näher beleuchtet und der Versuch unternommen, eine Erklärung für das Scheitern der Verblendungen auf Zirkoniumdi­oxidgerüsten zu finden.

Dieser Beitrag stammt aus der Quintessenz Zahntechnik, Ausgabe 6/2016. 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. Weitere Informationen und Bestellmöglichkeiten finden Sie im Quintessenz-Shop, dort können Sie auch ein kostenloses Probeheft bestellen.

VMK-Technik

Von der VMK-Technik weiß man heute, dass diese seit Jahrzehnten mit großem Erfolg angewendet wird. Hierbei kann man vor allem die in vielen Studien nachgewiesene hohe Überlebensrate positiv hervorheben.^12,13,15,19 Aber auch die ästhetischen Materialeigenschaften der Verblendmaterialien sind auf einem sehr hohen Niveau und lassen für den Zahntechniker bei der Gestaltung natürlich wirkenden Zahnersatzes keine Wünsche offen.

Die verwendeten Materialien basieren auf silikatischen Gläsern, in denen Leuzit – K[AlSi₂O₆] – als Kristallphase eingelagert ist. Leuzit ist in erster Linie für die Erreichung der erforderlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erforderlich.^4,16

Es zeigt sich aber auch, dass Leuzit für die hohe Stressresistenz der sogenannten Metallkeramiken verantwortlich ist.¹⁵ Bei der Entwicklung von Verblendkeramiksystemen ist es besonders wichtig, eine harmonische Abstimmung zwischen der Glas- und Kristallphase zu finden. Diese garantiert höchste Transparenz, einen möglichst linearen Ausdehnungsverlauf und einen brennstabilen Ausdehnungskoeffizienten. Dies ist wichtig, da Verblendkeramiken mit einer großen Anzahl verschiedenster Legierungstypen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung kompatibel sein müssen.

Durch die große Anzahl an verschiedenen Legierungstypen ergibt sich zwangsläufig ein weiteres Problem für den Materialentwickler. Die Metallkeramiken müssen mit den unterschiedlichsten Oxidzusammensetzungen und daraus resultierenden Grenzflächensituationen zwischen der Metalloberfläche und den keramischen Materialien zurechtkommen. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich hierbei häufig bei der Verarbeitung von NEM-­Legierungen. Diese Tatsache führte zur Entwicklung eines speziellen Materials, einem Primer, welcher die Verbundsicherheit beim Verblenden der NEM-Legierung auf eine Stufe mit der Verbundsicherheit bei Edelmetalllegierungen stellt.

Die Aufgabe des Primers ist es, durch sein hohes Oxidlösungspotenzial die Benetzung der NEM-Legierungsoberfläche zu optimieren.⁷

Folgende Parameter sind für den Verbund zwischen dem Gerüst- und dem Verblend­material wichtig:¹⁴

• Benetzung der Gerüstoberfläche
• Lösung der Legierungsoxide in der Keramik¹⁰ und die Ausbildung von Sauerstoffbrücken
• Mechanische Retention
• Van-der-Waals- bzw. Adhäsionskräfte
• Aufbau von Druckspannung in der Verblendkeramik

Bei den genannten Parametern, die zum Verbund zwischen Legierung und Keramik beitragen, ist die Benetzung der Gerüstoberfläche als der wichtigste anzusehen. Denn die optimale Oberflächenbenetzung ermöglicht allen anderen am Verbund beteiligten Mechanismen erst, richtig wirksam werden zu können. Denn nur wenn die Verblendkeramik vollständig an der Gerüstoberfläche anliegt, ist eine optimale Systemsicherheit zu erreichen.

Dabei ist der gewünschte Spannungsaufbau der Keramik an sich schon ein sensibler Parameter, da aufgrund der nicht freien Geometrien sehr unterschiedliche Spannungsverhältnisse innerhalb der Keramik auftreten können. Wird jedoch der Spannungsaufbau zusätzlich durch mangelhafte Benetzung gestört, potenziert sich die Wahrscheinlichkeit auftretender Spannungsspitzen im Verblendmaterial, welche letztendlich zum Versagen des Systems führen können.

Besonders schwierig wird es, wenn zusätzlich der Wärmeausdehnungsverlauf der Verblendkeramik nicht optimal an den Wärmeausdehnungsverlauf der Legierungen angepasst ist. Hierdurch erhöht sich der Stress innerhalb der Keramik zusätzlich.

Schlechte Benetzung führt auch dazu, dass sich beim Mehrfachbrennen die sehr gefürchteten Froschaugen bilden, Sprünge und Abplatzungen hervorgerufen werden und so das Herstellen von Kronen und Brücken zu einer Art Lotteriespiel werden kann.

Keramische Verblendung von Zirkoniumdioxid

Der Gerüstwerkstoff Zirkoniumdioxid wird nun auch schon seit ca. 15 Jahren zur Herstellung von Kronen und Brücken verwendet. Das Zirkoniumdioxid zeigte relativ schnell seine optimale Eignung für die Herstellung von Kronen und Brücken. Sowohl die Werkstoffeigenschaften, wie hohe Festigkeit und bessere Ästhetik, als auch die biologische Verträglichkeit führten zu einer schnellen Verbreitung in der dentalen Anwendung. Da zunächst nur das weiße, ziemlich opake Zirkoniumdioxid als Gerüstmaterial zur Verfügung stand, mussten von der Industrie Verblendmaterialien zur Erzielung einer ansprechenden Ästhetik bereitgestellt werden.

Sehr schnell erkannte man, dass die weißen Ränder genauso wenig natürlich aussahen wie die dunklen Ränder der Metallgerüste.

Das sogenannte Chipping (Fraktur innerhalb der Verblendkeramik) mit beobachteten Misserfolgsraten von bis zu 28 %^1,18 war aber das viel größere Problem der Verblendkeramikrestaurationen auf Zirkoniumdioxidgerüsten. Das Auftreten von überdurchschnittlich vielen Abplatzungen sowohl innerhalb des Verblendmaterials als auch von ganzen Facetten der Verblendung führte zu einer erheblichen Verunsicherung von Zahntechnikern und Zahnärzten. Man kannte diese Problematik natürlich auch von der VMK-Technik,²⁰ jedoch ist die in der Literatur aufgeführte Häufigkeit bei der Metallkeramikverblendung wesentlich geringer. Allerdings finden sich in der Literatur auch entgegengesetzte Aussagen, dass nämlich zwischen Verblendkeramikrestaurationen auf Zirkoniumdioxidgerüsten und Metallgerüsten keine Unterschiede in den Chippingraten bestehen.¹⁵

Bei der Herangehensweise zur Aufklärung der Chippingproblematik wurde als erstes das neue Gerüstmaterial Zirkoniumdioxid unter Generalverdacht gestellt. Der Grund hierfür war sicherlich, dass man davon ausgegangen ist, dass das Verblenden selbst nicht die Ursache sein kann, da diese Technik ja schon seit Jahrzehnten erfolgreich in der Kombination mit Legierungen erprobt ist. Es wurden also die unterschiedlichsten Gründe für das Versagen der Verblendmaterialien in der Verbindung mit Zirkoniumdioxid abgeleitet.

Deshalb wurden verschiedene Maßnahmen^6,8,21 für die Behebung der nun vermehrt auftretenden Chippingproblematik empfohlen:

• Reduzierte anatomische Form mit Höckerunterstützung
• Verminderung der Aufheizraten bei den keramischen Bränden
• Erhöhung der Gerüstwandstärken
• Reduzierung der Verblendkeramikschichten
• Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeiten

Die meisten der vorgeschlagenen Maßnahmen sind grundsätzlich richtig, gelten aber im gleichen Maß auch für das Verblenden von Legierungsgerüsten und betreffen nicht spezifisch die Chippingproblematik. Die Verminderung der Aufheizrate ist aber ganz sicher keine Möglichkeit, das Problem der Abplatzungen in den Griff zu bekommen, da die Ursache der auftretenden Abplatzungen nicht in der Geschwindigkeit der Aufheizphase zu suchen ist. Zu schnelles Aufheizen führt in der Verblendkeramik schlimmstenfalls dazu, dass diese nicht ausreichend und gleichmäßig durchgesintert ist. Dies zeigt sich dem Anwender aber sofort in Form einer trüben Verblendung mit rauer Oberfläche und kann durch eine Anhebung der Haltezeit oder Endtemperatur behoben werden. Die Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit ist grundsätzlich ein sehr guter Weg, die Stresssituation innerhalb der Verblendmaterialien zu reduzieren,³ da die im zahntechnischen Labor üblichen Abkühlgeschwindigkeiten nicht der gängigen Vorgehensweise beim Abkühlen von Gläsern und Keramiken entsprechen und durchaus als radikal oder rabiat eingestuft werden können.

Vergleicht man jedoch die generelle Ausgangssituation für Verblendkeramiken auf den Gerüstmaterialien Legierungen und Zirkoniumdioxid, zeigt sich sehr schnell, dass Zirkoniumdioxid grundsätzlich eine optimale Ausgangsbasis für die Verblendung mit silikatischen Verblendmaterialien ist.

Folgende Argumente sprechen für diese Aussage:

• Fester WAK-Wert 10,5 µm/m * K (25 – 500 ° Grad Celsius)
• Nur ein, zudem helles Oxid mit definierter Zusammensetzung
• Stabiles, nicht verformbares Gerüst

Genau dies ist eine Ausgangssituation, die bisher für die Verblendung nicht vorgelegen hat. Die Material- und Eigenschaftsvielfalt bei den Legierungen spielt bei Zirkoniumdioxid überhaupt keine Rolle. Der Vorteil für die Materialentwickler liegt klar auf der Hand. Das Verblendmaterial kann gezielt auf ein Werkstoffsystem abgestimmt werden, das zudem keinerlei Überraschungen bei der Bildung von nicht definierten Oxiden und Oxidmengen an der Oberfläche bereithält. Man kann jetzt natürlich sagen, dass es ja ebenfalls viele Anbieter von Fräsrohlingen gibt. Aber bei allen Anbietern handelt es sich um ein mit ca. 3 % Y₂O₃ stabilisiertes Zirkoniumdioxid, welches in den meisten Fällen sogar aus der gleichen Rohstoffquelle stammt. Unterscheidungen gibt es sicherlich im Herstellprozess der Fräsrohlinge. Dieser beeinflusst aber mehr die Verarbeitung und die Qualität der gefertigten Kronen und Brücken, nicht aber das Ergebnis der Verblendung.

Der Haftmechanismus zwischen Verblendkeramik und Zirkoniumdioxid unterscheidet sich vom Metall-Keramik-Verbund signifikant. Der mechanische Verbund, größter Faktor beim Metall-Keramik-Verbund, spielt im Prinzip keine Rolle, denn das bei Metallgerüsten übliche Abstrahlen zur Erzeugung von Mikroretentionen hat bei Zirkoniumdioxid nicht die gewünschte Wirkung. Zwar unterstützt eine aufgeraute (große) Oberfläche durch Absenkung der Oberflächenspannung die Benetzung, Mikroretentionen bilden sich aber nicht aus. Schlimmstenfalls führt das Abstrahlen eher zu einer Oberflächenbeschädigung und daraus resultierenden Materialschwächung.⁵ Auch eine chemische Bindung kann nicht entstehen, da in den relativ kurzen Brennzyklen Adhäsive, Liner oder Verblendmaterialien nicht in der Lage sind, das Zirkoniumdioxid zu lösen.

Damit bleiben die folgenden Parameter für den Verbund zwischen dem Zirkoniumdioxid und der Verblendkeramik übrig:

• Benetzung der Gerüstoberfläche
• Van-der-Waals- bzw. Adhäsionskräfte
• Aufbau von Spannung in der Verblendkeramik

Haftverbundmessungen zeigen, dass die optimale Ausnutzung der verbleibenden Verbundkomponenten für eine sichere Verblendung von Zirkoniumdioxid ausreichend ist.¹⁹

Diese Punkte sprechen generell für die keramische Verblendung von Zirkoniumdioxid. Aber warum tritt dann in der Praxis das bereits geschilderte Chipping im Vergleich zur Metallkeramikrestauration gehäuft auf?

Der erste augenscheinliche Materialunterschied zwischen einer Verblendkeramik für Zirkoniumdioxid und einer solchen für Legierungen liegt im WAK-Wert. Während für das Verblenden von Legierungen die Wärmeausdehnung der Verblendkeramik bei Werten von etwas über 12,5 µm/m * K (25 – 500 °C) liegt, ist für die Zirkoniumdioxid-Verblendkeramik ein Wert von 9,5 µm/m * K (25 – 500 °C) ausreichend. Wie bereits erwähnt, wird der höhere Wärmeausdehnungskoeffizient bei der Metallverblendkeramik durch die Einlagerung von Leuzit bewerkstelligt. Bei der Entwicklung der Zirkoniumdioxid-Verblendkeramik war die Ausgangssituation für den Entwickler vermeintlich einfacher, denn die erforderliche, niedrigere Wärmeausdehnung war auch ohne die Einlagerung von Leuzit möglich.

Dieser Umstand führte dazu, dass viele in den Markt gebrachte Verblendmaterialien auf Gläsern ohne Leuzitanteil basierten. Der Nachteil solcher Systeme ist aber, dass diese nicht von der positiven Eigenschaft einer erhöhten Stressresistenz durch die eingelagerte Leuzitkristallphase profitieren können.⁴ Ein weiterer Nachteil dieser Materialien war ein durch das Fehlen der Kristallphase bedingter, weniger linearer Wärmeausdehnungsverlauf. Die Divergenz der Ausdehnungsverläufe von Zirkoniumdioxid und Verblendkeramik führt zu erheblich stärkerem Spannungsaufbau im Verblendmaterial.² Das Fehlen des Leuzits in einigen dieser Verblendkeramiksysteme ist nach dem heutigen Kenntnisstand mit verantwortlich für die hohe Ausfallrate beim Verblenden von Zirkoniumdioxid.

Abb. 1 Vergleich des Wärmeausdehnungsverlaufs eines Verblendmaterials mit Leuzitphase (HeraCeram Zirkonia) mit dem eines leuzitfreien Materials.

Abb. 2 Funktion der eingelagerten Leuzitphase als Rissstopper in der HeraCeram Zirkonia Verblendkeramik (Leuzitphase durch Ätzung mit Flusssäure entfernt und so sichtbar gemacht).

Damit das Zirkoniumdioxid-Verblendsystem HeraCeram Zirkonia (Heraeus Kulzer, Hanau), das seit 2005 erfolgreich im klinischen Einsatz ist, die gleichen positiven Eigenschaften und die gewohnt hohe Sicherheit der Metallkeramiken erreicht, hat es die gleiche strukturelle Zusammensetzung wie die Metallkeramik HeraCeram (Heraeus Kulzer). Das heißt, das Material besteht aus einer Glasphase, in die eine Leuzitphase eingelagert ist. Hierzu war eine starke Absenkung der Wärmeausdehnung der Glasphase erforderlich, damit ca. 20 % Leuzit darin eingelagert werden konnten. Dieser Anteil liegt niedriger als bei der Metallkeramik mit einem Anteil von ca. 26 %, ist aber ausreichend, um die gleiche Zuverlässigkeit der Metallkeramik auch bei HeraCeram Zirkonia zu erreichen.

Die Vorteile des eingelagerten Leuzits zeigen sich deutlich beim Vergleich des Wärmeausdehnungsverlaufs von HeraCeram Zirkonia mit einem leuzitfreien Keramiksystem (Abb. 1). Der Graph der Ausdehnungskurve ist ein wichtiges Kriterium, da nur hieraus der tatsächliche Spannungsaufbau innerhalb der Verblendkeramik abgeschätzt werden kann. Das Heranziehen des Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nur die durchschnittliche Ausdehnung für einen bestimmten Temperaturbereich angibt,¹⁹ sagt nicht zwangsläufig etwas über die im System aus Gerüst- und Verblendmaterial auftretenden Spannungen aus.

Durch die stabilisierte Leuzitstruktur (SLS) der HeraCeram Zirkonia ist auch keine Veränderung der Wärmeausdehnung bei Mehrfachbränden zu befürchten, wie sie in der Literatur erwähnt wird.^4,9

Die Funktion des eingelagerten Leuzits als Stresshemmer ist ein weiterer, sehr wichtiger Vorteil dieser Verblendkeramik. Eingelagert in der Glasphase führt dieses zu Phasengrenzen und dem Aufbau von Druckspannung in der Keramikmatrix. Ein entstandener Riss kann sich dadurch nicht ungehindert ausbreiten, da, anders als in den glasbasierten Materialien, „Hindernisse“ energiezehrend umlaufen werden müssen (Abb. 2).

Vergleichende Untersuchungen an einem leuzithaltigen System (System-L) und einem leuzitfreien (System-WOL) zeigten deutliche Unterschiede. Bei der Initialfestigkeit lag System-WOL mit einer durchschnittlichen Initialbruchlast von 568 Newton (N) deutlich höher als das System-L. Während der Prüfung durchgeführte Körperschallaufzeichnungen lieferten aber ein Indiz dafür, dass ausgeprägtes unterkritisches Risswachstum bei System-WOL früher einsetzt als bei System-L.

Tab. 1 Ausfallzeitpunkt der Kronen während der Kausimulation (x = kein Ausfall). [17]

Alternativen zur Verblendung und Fazit

Durch die Weiterentwicklung des Zirkoniumdioxids haben sich Alternativen gegenüber der Verblendung mit einer Keramik ergeben. Das für die Herstellung von Kronen und Brücken angebotene Zirkoniumdioxid wurde in der Transparenz verbessert, es wird in verschiedenen Farbnuancen angeboten und kann relativ einfach über den Weg der CAD/CAM-Fertigung verarbeitet werden.

Durch die Verwendung von vollanatomischem Zirkoniumdioxid wird die Chippingproblematik natürlich vollkommen eliminiert. Auch aus der physiologischen Betrachtung schneiden diese Kronen nicht schlechter als die verblendeten Kronen ab.^6,22 Voraussetzung hierfür ist aber, dass die Oberflächen sorgfältig glatt poliert sind.

Aber trotz aller Entwicklungen und Fortschritte beim Zirkoniumdioxid muss aus heutiger Sicht klar festgestellt werden, dass das Erreichen von nahezu naturidentischer Ästhetik der Schichttechnik vorbehalten bleiben wird.

Ein Beitrag von Jürgen Steidl, Usingen

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