Bericht

Werkstoffkunde

20.07.22

Polymere des 21. Jahrhunderts

Gerüststrukturen aus Hochleistungskunststoffen

Conrad J. Rensburg, Jack Marrano

Jahrzehntelang setzte die Dentalindustrie auf Legierungen als Gerüstmaterialien. Nun liegen Hochleistungspolymere in diesem Bereich ebenfalls im Trend.

Im 20. Jahrhundert wurden die meisten technologischen Weiterentwicklungen im Bereich der Lost-Wax-Technique mit Fokus auf dem Wachs und der Entwicklung[1] der Legierung vorgenommen. Es war beinahe ausschließlich die legierungsbasierte Technologie, bei der die Dentalindustrie die meisten Fortschritte bei der Produktentwicklung erzielen konnte. Vor 2010 begann eine Verlagerung hin zur Entwicklung metallfreier Lösungen[2]. Der Start war bestenfalls steinig, aber diese neue Richtung nahm an Fahrt auf, insbesondere im Bereich der Kronen und Brücken.
Leider blieb die Entwicklung von Gerüstmaterialien für abnehmbare Restaurationen viele Jahre lang hinter ihren Pendants im Bereich der festsitzenden Prothetik zurück. In letzter Zeit verlagerten die Materialhersteller jedoch ihren Fokus hin zu abnehmbaren Lösungen, wobei der Schwerpunkt auf digital kompatiblen Optionen liegt.
Angesichts des Fachkräftemangels[3], der in fast allen Branchen ein echtes Problem darstellt, steigt die Bedeutung von digitalem Design und Produktion, um den Bedarf an manuellen Prozessen zu reduzieren, was für das Überleben in der Dentalindustrie von entscheidender Bedeutung geworden ist. Seit vielen Jahren liegt der Schwerpunkt der Legierungshersteller nicht nur auf Biokompatibilität, sondern auch auf der Wirtschaftlichkeit. Diese Faktoren sind auch heute noch von größter Bedeutung, aber neue Polymerwerkstoffe fügen nun zusätzliche Vorteile wie Materialkompatibilität und chemische Bindung zwischen den verschiedenen Komponenten, aus denen die endgültige Prothese besteht, hinzu.
Aufgrund der besseren Biegekompatibilität bieten diese Materialien von Natur aus auch eine verbesserte langfristige Materialinteraktion zwischen der Acryl-Sekundär- und den Komponenten der Primärstruktur. Letztlich reduziert die Kombination aus chemischer Bindung, Material und struktureller Kompatibilität die Materialermüdung und das Risiko einer Ablösung. Das Ergebnis ist eine bessere Langzeitüberlebensrate der Prothese ohne Beeinträchtigung der Festigkeit.

Von Zelluloid zu ­Hochleistungspolymeren
Um die Vorteile eines Materials tatsächlich zu verstehen und seine Schwächen zu erkennen, ist es hilfreich, seine Geschichte und Entwicklung zu kennen. Moderne Hochleistungspolymere, wie sie heute in der Zahnmedizin verwendet werden, enthalten oft feinfaserige Komponenten, um das Polymer zu unterstützen. Während der gesamten Entwicklungsgeschichte der Kunststoffe[4] gab es immer eine starke Korrelation zwischen diesen synthetischen Fasern und Polymeren. Das erste halbsynthetische Kunststoffmaterial, das entwickelt wurde, war Polystyrol. Dieses Material wurde im Jahr 1839 mittels Destillation eines pflanzlichen Harzes gewonnen. Bakelit war das erste echte synthetische, duroplastische Harz. Es wurde 1910 patentiert. Dieses Material wurde schnell zum meistverwendeten Kunststoff der Welt.
In den 1920er Jahren begannen die Universitäten, systematisch die Eigenschaften von natürlichen und synthetischen Polymeren zu untersuchen. In den späten 1930er Jahren wurden die ersten synthetischen Fasern entwickelt.
Im Jahr 1935 wurde Polyamid synthetisiert und fand sofort Anwendung unter dem wohlbekannten Namen Nylon. Der entscheidende Moment in der Entwicklung von Kunststoffprodukten kam in den 1960er Jahren mit der Entwicklung von Polypropylen. Dieses Produkt wurde schnell zum Symbol für Trendbewusstsein und Modernität. Bald darauf wurde Polyethylen entwickelt, das wegen seiner Vielseitigkeit und Kosteneffizienz allgemein als eines der populärsten thermoplastischen Polymere angesehen wird. In den vergangenen Jahren wurden die Hochleistungspolymere immer beliebter und mehr und mehr werden sie anspruchsvoll eingesetzt. Produkte wie Polymethylpentene werden aufgrund ihrer absoluten Ungiftigkeit und Resistenz gegenüber chemischen Stoffen für die Herstellung von Produkten für klinische Labors eingesetzt.
Heute werden moderne Polymervarianten für spezielle Produkte verwendet, wie Astronautenhelme, Kontaktlinsen, kugelsichere Westen, Gerüste für Zahnprothesen (Abb. 1) und sogar für gedruckten, digital erstellten Zahnersatz (Abb. 2). Der Unterschied zwischen Kunststoff und Hochleistungspolymeren liegt darin, dass der Kunststoff sein Einsatzgebiet in alltäglichen Anwendungen findet, Hochleistungspolymer hingegen als jenes Kunststoffmaterial definiert wird, mit dem man etwas hergestellt, das traditionell aus Metall gefertigt wird[5].

Optionen für die ­Gerüststrukturen
Derzeit gibt es vier Hauptkonkurrenzprodukte für zahntechnische Gerüststrukturen auf dem amerikanischen Markt: Bioloren Trilor (Harvest Dental, www.harvestdental.com; Preat, www.preat.com), Juvora PEEK-Optima (Invibio, www. invibio.com), CM Pekkton (anaxDent, www.anaxdent.com) und Trinia (Trinia, www.trinia.com; Shofu Dental, www.shofu.com). Auch wenn alle oben genannten Materialien indiziert und von der FDA für die Herstellung von dentalen Primärkonstruktionen zugelassen sind, variieren sie in Bereichen wie Polymer- und Faserzusammensetzung. Dies beeinflusst letztlich ihre Biege-, Zug- und Druckfestigkeit (Abb. 3). Es ist daher wichtig, das Gerüstmaterial sorgfältig so auszuwählen, dass es am besten zur gewünschten prothetischen Anwendung passt.
Mehrere Optionen zur Verfügung zu haben, erlaubt es dem Techniker außerdem, die Primärkonstruktion mit dem Sekundärkonstruktionsmaterial seiner Wahl abzustimmen. Die Verarbeitung einer gut abgestützten Prothese, die im digitalen Workflow entworfen und hergestellt wird, hat erwiesenermaßen Einfluss auf die Langlebigkeit der Prothese und die Vorhersagbarkeit des klinischen Arbeitsablaufs. Die Möglichkeit, den Fall digital zu entwerfen, den Entwurf in einen Prototypen umzuwandeln, der vom Patienten akzeptiert wird, und dann die genehmigten Daten einfach in die endgültige Prothese zu überführen, ist entscheidend für ein vorhersehbares Ergebnis. In der Vergangenheit machte das Outsourcen der Gerüststruktur eine menschliche Interpretation des Gerüstdesigns möglich, wodurch der Fall potenziell beeinflusst werden konnte. Durch diese Auslagerung wurde dem für die finale Arbeit verantwortlichen Techniker die Kontrolle über das Design der Gerüststruktur entzogen.
Auch wenn diese Optionen von Natur aus verschieden sind, haben sie einen großen gemeinsamen Vorteil: Sie alle sind in Rondenform zur subtraktiven Bearbeitung in einer Fräseinheit erhältlich. Dies ermöglicht dem Labor die digitale Kontrolle der Gerüstkonstruktion, basierend auf den vom Patienten genehmigten Zahnpositionen.
Die Möglichkeit, die gesamte Prothese im eigenen Haus zu fertigen, beschleunigt den Prozess und reduziert die Kosten. Vielen Misserfolgen bei implantatgetragenen Hybridprothesen liegen zwei Hauptfaktoren zugrunde[6]: Biegeunterschiede zwischen „Old-School“-Titan-Gerüststrukturen und Acryl-Overlay-Materialien sowie die fehlende chemische Bindung zwischen den Komponenten.
Die modernen Hochleistungskunststoffe lösen diese beiden potenziellen Probleme. Es ist jedoch wichtig, dass der Techniker die Stärke der chemischen Bindung zwischen bestimmten Materialien selbst testet, um die bestmögliche Lösung zu finden.

Eigenschaften von Hochleistungskunststoffen
Die neusten Hochleistungskunststoff-Generationen können bedenkenlos anstelle von Titangerüsten eingesetzt werden. Sie wurden unter den verschiedenen Markennamen erstaunlich gut dokumentiert und weisen eine beeindruckende Erfolgsbilanz über viele Jahre der intraoralen Verwendung auf. Bei der Auswahl eines Ersatzmaterials für die Stützstruktur ist es wichtig, zwei entscheidende Materialeigenschaften zu berücksichtigen: Biege- und Zugfestigkeit[7].
Biegefestigkeit ist definiert als die Biegespannung (MPa) in einem Material, bevor es in einem Drei-Punkt-Biegeversuch nachgibt. Die Zugfestigkeit[8], die für zahnmedizinische Anwendungen weniger wichtig ist, wird definiert als die maximale Spannung, die ein Material aushalten kann, bevor es bricht.
Die meisten Hochleistungskunststoffe für Dentalanwendungen weisen eine Biegefestigkeit zwischen 160 MPa und 540 MPa auf. Dies ist entscheidend, wenn man die Biegefestigkeit des natürlichen Knochens (205 MPa) mit der eines Hochleistungskunststoff-Gerüsts in Einklang bringen will. Studien[9], die von der Malo Clinic zu PEEK Optima durchgeführt wurden, ergaben, dass das Material das Verhalten des natürlichen parodontalen Ligaments nachahmt, indem es eine abfedernde und stoßdämpfende Wirkung im Mund besitzt, selbst bei extremer Kraft. Diese Studie zeigte auch eine nahezu perfekte Überlebensrate nach drei Jahren, wenn All-on-four (Nobel Biocare) mit diesem Hochleistungskunststoff als Primärkonstruktion eingesetzt wurde. Eine TriLor/Crystal Ultra (Abb. 3) Studie, durchgeführt von der Universität von Alabama in Birmingham, welche den Zusammenhang von Festigkeit und Abnutzung[10] beschreibt, zeigte, dass das Crystal Ultra Zahn-Overlaymaterial sich mit einer volumetrischen Rate von 0,061 mm3 abnutzt, im Vergleich zu Phonares Nano-Hybrid-Komposit-Prothesenzähnen (Ivoclar), deren Abnutzungsrate 0,271 mm3 betrug. Der TriLor Frakturtest zeigte einen durchschnittlichen Bruch bei 1626 N und einen Bruch bei 1759 N.
Verglichen mit durchschnittlichen Bisskräften auf einen Seitenzahn von 60 N und einer maximalen Bisskraft zwischen 600 N und 900 N, erwies sich diese Materialkombination als eine hochfunktionelle Lösung.

Optionen für Zahn- ­Sekundärstruktur
Die Verwendung individualisierter Prothesenzähne bei implantatgestützten Restaurationen, bei denen die Okklusionskräfte anders sind als bei schleimhautgetragenen Prothesen, ist ebenfalls eine potenzielle Schwachstelle. Die Verwendung von vorgefertigten, kardierten Zähnen verhindert alle potenziellen digitalen Arbeitsabläufe und erfordert mühsame Handarbeit, die nicht digital archiviert werden kann. Die digitale Verarbeitung (Abb. 4), die Hochleistungskunststoff-Gerüste ermöglichen, erlaubt es, die endgültige Zahn-Sekundärstruktur zu fräsen (Abb. 5) oder zu drucken, anstatt traditionelle Prothesenzähne zu verwenden. Je nach Anwendung können verschiedene Zahn-Sekundärstruktur-Materialien verwendet werden. Derzeit stehen mehrere fräsbare Materialien zur Verfügung, die sich hervor­ragend für diese Art von Prothese eignen: Crystal Ultra (Digital Dental, www.crystalultra.com), Temp-Esthetic (Harvest Dental, www.harvestdental.com), Ivotion Dent (Ivoclar, www.ivoclar.com). Die Branche beginnt auch mit der Entwicklung von glasinfiltrierten Fotopolymerharzen für den Druck von Zahn-Sekundärstrukturen: Bego Varseo (Bego, www.bego.com) und Formlabs Permanent Crown (Formlabs, www.formlabs.com).
Auch wenn die Entwicklung der gedruckten Zahn-Sekundärstrukturen (Abb. 6) noch in den Kinderschuhen steckt, ist die Aussicht, langfristig Zahnstrukturen drucken zu können, der Weg in die Zukunft. Das Drucken ist genauer und erfordert weit weniger manuelle Bearbeitung (Abb. 7) im Vergleich zu einem gefrästen Gegenstück (Abb. 8). Daher ist diese Technologie sehr vielversprechend für zukünftige Anwendungen.

Digitales Fallprotokoll
Die Bearbeitung eines Hybrids, bei dem eine Hochleistungskunststoff-Gerüststruktur mit individuellen PMMA- oder Nanokeramik-Zähnen verwendet wird, vereinfacht den klinischen Prozess, und die Ergebnisse sind vorhersehbarer. Letztlich ist der Hauptgrund für die Verarbeitung im digitalen Workflow die anpassungsfreie, vorhersehbare finale Lieferung der Restauration. Durch die Einbindung eines Prototypen (Abb. 9), können Patient und Behandler das digitale Design „testen“, bevor die endgültige Versorgung mit der Prothese erfolgt.

Digitaler Hybrid-Arbeitsablauf
Erster Termin
Zunächst wird der Übergangs-/Konversions-Hybrid entfernt. Danach sind die DME-Scan-Flags zu setzen und das Hybrid-Provisorium mit einem IO-Scanner zu digitalisieren. Das Hybrid wird ersetzt und der Biss und die Gegenseite gescannt. Als Nächstes werden die Daten (Abb. 10) zur Herstellung der Phase-II-Hybridschablone an das Labor gesendet. Wer mehr über dieses Verfahren wissen möchte, kann unter www.AbsoluteDentalLab.com Kontakt aufnehmen.

Vorgehen im Labor
Erstellen eines prothetischen Phase-II-Hybrids für Abdruck und Biss zur Überprüfung.

Zweiter Termin
Nach dem Einsetzen des Phase-II-Hybrids und dem Abdichten zwischen den Segmenten, wird der Biss angepasst und das PVS-Material sollte zwischen Gewebe und Apparatur fließen. Es sollten „Lächel“-Bilder und diagnostische Notizen für eventuell erforderliche Änderungen erstellt werden. Dieses Apparatur indiziert effektiv einen verifizierten Abdruck, eine diagnostische Zahneinprobe, eine Bisskontrolle und einen aktuellen Tissue-Level-Abdruck.

Vorgehen im Labor
Das Labor entwirft digital den PMMA-Prototypen mit den gewünschten diagnostischen Anpassungen und anschließend geht der Zahnersatz zur endgültigen Einprobe zurück. Es ist wichtig, die Prothese zu testen, denn diese muss vom Patienten akzeptiert werden.
Wenn der Patient Bedenken hat, kann die PMMA-Prothese als Provisorium getragen, angepasst oder mit Komposit ergänzt werden, bis der Patient seine Zustimmung gibt. Es ist wichtig, dass das genehmigte Übergangshybrid die endgültige Datei ist, die mit dem Modell abgeglichen und präzise in die endgültige Prothese überführt wird. Dazu sind die Phase-II-Dateidaten in die Konstruktionssoftware zu überführen, die gewünschten diagnostischen Änderungen vorzunehmen und der PMMA-Übergangsprototyp zu fräsen.

Dritter Termin
Übergabe des Hybridprototyps (Abb.11) und Freigabe durch den Patienten.

Vorgehen im Labor
Importieren der genehmigten Prototypdaten in die Designsoftware und Fräsen des endgültigen Hybrids.

Vierter Termin
Auslieferung des endgültigen Hybrids. Neben dem endgültigen Hybrid wird auch der Prototyp der Übergangsversorgung an den Patienten geliefert. Er ist eine exakte Kopie der endgültigen Prothese und dient als Notfallprothese.

Hochleistungskunststoff-Anwendungen
Diese neue Generation von Trägermaterialien (Abb. 12) eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine Legierungsstruktur verwendet wurde. Hochleistungskunststoffe sind indiziert für partielle Gerüste, Prothesen- und Hybrid-Stützstrukturen und sogar für Abutments und Schrauben. Nanokeramik in Kombination mit einem Hochleistungskunststoff-Gerüst ist eine ausgezeichnete Lösung für locatorgestützten Zahnersatz (Zest Dental, www.zest.com) und ist auch eine durchdachte Lösung für das Atlantis Conus Friction Fit Prothesenkonzept (Dentsply Sirona, www.dentsplysirona.com) (Abb. 13).
Diese Materialkombination löst das Problem des Prothesenzahnverschleißes und Debondings bei implantatgetragenen Fällen, in denen starke okklusale Kräfte die Langlebigkeit der prothetischen Vorrichtungen verringern.
Fortschritte bei digitalen Arbeitsabläufen, kombiniert mit innovativen Produkten, kommen dem Patienten in Form von vorhersehbaren Versorgungen entgegen. Letztlich erfordern diese Versorgungen weniger klinische Termine und erhöhen die Langlebigkeit, Ästhetik und Funktion des endgültigen Zahnersatzes (Abb. 14). Die zahnmedizinische Branche hat bereits exponentielle technologische Fortschritte gemacht.
Doch dies ist nur die Spitze eines riesigen Eisbergs! In diesen aufregenden und manchmal unsicheren Zeiten werden das Verständnis und die Fähigkeit, die Technologie zu verstehen und sie sich zu eigen zu machen, über den Erfolg und letztendlich auch das Überleben im 21. Jahrhundert entscheiden.

Literatur
[1] Ardelean L, Reclaru L, Bortun C M, Rusu L C. Assessment of Dental Alloys by Different Methods, Superalloys. Mahmood Aliofkhazraei, IntechOpen, DOI: 10.5772/61115. November 25th, 2015
[2] Poggio CE, Ercoli C, Rispoli L, Maiorana C, Esposito M. Metal-free materials for fixed prosthodontic restorations. Cochrane Database of Systematic Reviews 2017, Issue 12. Art. No.: CD009606. DOI: 10.1002/14651858. CD009606.pub2
[3] Chamberlain S. Addressing the skilled labor shortage in America. Article August 21st, 2019 www.Forbes.com/sites/sarahchamberlain
[4] TekcnoPlast, Innovative systems. The history of Plastics. www.tekcnoplast.it/en/news/157-the-history-of-plastic-from-celluloid-to-technopolymers. August 24th, 2020
[5] CDM Elesa. Definition of Technopolymer and Technical data. https://wikidiff.com/technopolymer/plastic and http://cdm.elesa.it/file_link/Elesa/en/Dati_Tecnici.htm
[6] Anya M, Gulses A, Acil Y. Long term comparison of Acrylic vs. Ceramic All-on-Four dentures. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-112261/v1
[7] Hodgkinson J M (2000). Mechanical Testing of Advanced Fiber Composites Cambridge: Woodhead Publishing, Ltd., p. 132–133
[8] Pavlina E J, Van Tyne C J, Correlation of Yield Strength and Tensile Strength Journal of Materials Engineering and Performance, 17:6 (December 2008)
[9] Nobre M, Guedes M, Silva A. European Association for Osseointegration (EAO) Congress Symposium: What if dental prosthetic could influence quality of life, September 2019
[10] Lawson N, D.M.D., PhD. University f Alabama at Birmingham. Distal Extension Cantilever Strength and Wear Testing of Crystal Ultra. Final report November 8th, 2020. www.crystalultra.com

Fortbildung

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Stabile, reproduzierbare Okklusion und gelungene Ästhetik – Modul A am 14./15.10.2022


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