Bericht

Werkstoffkunde

31.03.22

Wissenswertes zu Zirkonoxid

Im Gespräch mit Björn Theelke, 3M-Mitarbeiter der F&E CAD/CAM-Materialien

dd Redaktion

Eingangs müssen wir eines richtigstellen: Korrekt müsste es Zirkoniumoxid lauten. Unsere Redaktion hat sich jedoch der Einfachheit halber vor etlichen Jahren für die Trivialschreibweise Zirkonoxid entschieden. Wir bitten also zu bedenken, dass uns durchaus bewusst ist, dass es sich um das Oxid des Elements Zirkonium handelt, auch wenn unsere Schreibweise eher auf das Mineral Zirkon schließen ließe. Ganz schön kompliziert!? Aus diesem Grund sprachen wir mit Björn Theelke, seines Zeichens Materialwissenschaftler und Mitarbeiter der Forschung und Entwicklung von CAD/CAM-Materialien bei 3M. Er stand uns für dieses Interview zum Thema Zirkonoxid zur Verfügung.

Aufgrund der zunehmenden Digitalisierung diverser Fertigungsschritte von Zahnersatz oder in der Herstellung von für Zahnersatz benötigter Strukturen sowie der Einführung immer neuer CAD/CAM-Materialien sind Zahntechniker zunehmend als Technologie- und Materialexperten gefragt. Sie entscheiden nicht nur, welche Werkstoffe im eigenen Labor verarbeitet beziehungsweise angeboten werden, sondern beraten auch ihre Partnerpraxen häufig hinsichtlich der indikationsbezogenen Materialwahl.
Zunächst war insbesondere im Bereich der Silikatkeramiken ein Trend in Richtung einer Diversifizierung des Angebots zu erkennen. Inzwischen betrifft diese Entwicklung auch den Werkstoff Zirkonoxid, der zu den Oxidkeramiken gehört. War dentales Zirkon­oxid über Jahrzehnte nur als opaker Gerüstwerkstoff im Einsatz, finden sich heute zahlreiche Produkte mit sehr unterschiedlichen mechanischen und optischen Eigenschaften auf dem Markt.
Die Vielfalt an Produkten geht mit einer Daten­flut einher, die es den Anwendern erschwert, sich einen dezidierten Überblick zu verschaffen. Aus diesem Grund baten wir Björn Theelke um Unterstützung. Der Zahntechniker und Materialwissenschaftler ist Mitarbeiter der Forschung und Entwicklung von CAD/CAM-Materialien bei 3M in Seefeld. Er gibt im Folgenden Auskunft darüber, was ein Zahntechniker wissen sollte, um sich im Zirkonoxid-Materialdschungel zurechtzufinden.

Herr Theelke, worin liegen die Herausforderungen für Zahntechniker, die sich informieren und gegebenenfalls ihr Materialangebot erweitern möchten?
Die Herausforderung liegt darin, aus den verfügbaren Informationen das Wesentliche herauszufiltern. Erst wenn diese sinnvolle Filterung erfolgt ist, lassen sich die relevanten Kennwerte vergleichen, um die Materialien einordnen und den eigenen Bedürfnissen entsprechend auswählen zu können. Dabei hilft es, dass der Bereich der Dentalkeramiken genormt ist. In der wichtigsten Norm, ISO 6872 Zahnheilkunde – keramische Werkstoffe, werden beispielsweise In-vitro-Prüfverfahren beschrieben, die unter anderem zur Ermittlung von zwei wichtigen Eigenschaften durchzuführen sind – der Biegefestigkeit und der Risszähigkeit. Zudem enthält die Norm eine Klassifizierung, die einen Vergleich von Materialien verschiedener Hersteller ermöglicht und die Orientierung erleichtert.

Warum ist die Biegefestigkeit so wichtig für die Einordnung keramischer Werkstoffe?
Keramische Restaurationsmaterialien weisen in der Regel drei- bis zehnmal höhere Druck- als Biegefestigkeiten auf. Der Grund dafür, dass sie auf Zug- beziehungsweise Biegespannungen so empfindlich reagieren, ist ihre geringe Elastizität und plastische Verformbarkeit. Generell treten die größten Zugspannungen dort auf, wo eine horizontale Unterstützung der Keramik durch Zahnhartsubstanz fehlt. Dies ist zum Beispiel bei Brückengliedern der Fall, bei denen wiederum die Konnektoren die größte Schwachstelle bilden. Darum ist die Biegefestigkeit eine kritische Größe, die für die Festlegung des Indikationsspektrums, der Mindestwandstärken und der minimalen Verbinderquerschnitte von keramischen Werkstoffen herangezogen wird.

Wie wird die Biegefestigkeit ermittelt?
In der Norm (ISO 6872:2015) werden drei Prüfverfahren beschrieben: die biaxiale Biegeprüfung, die Drei-Punkt-Biegeprüfung und die Vier-Punkt-Biegeprüfung. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Versuchsanordnung und der Probekörpergeometrie sowie der Oberflächenbeschaffenheit. Die Versuchsanordnung für die ­biaxiale Biegeprüfung ist in der Abbildung 2a dargestellt. Grundsätzlich liefert die Prüfung zur Ermittlung der Drei-Punkt-Biege­festigkeit (Abb. 2b) immer die höchsten und die Vier-Punkt-Biegeprüfung (Abb. 2c) die geringsten Festigkeitswerte. Bevor Anwender Werte miteinander vergleichen, sollten sie also darauf achten, dass den zu vergleichenden Werten jeweils das gleiche Testverfahren zugrunde liegt.

Was hat es mit der Risszähigkeit auf sich?
Die Risszähigkeit ist wie die Biegefestigkeit eine wichtige Materialeigenschaft, die Rückschlüsse auf das klinische Langzeitverhalten einer Dentalkeramik zulässt. In jeder Keramik befinden sich intrinsische oder auch durch Umwelteinflüsse verursachte Defekte. Von ihnen ausgehend, können sich Risse bilden, die sich je nach Risszähigkeit mehr oder weniger stark im Material ausbreiten und schließlich zu Frakturen führen können. Je größer die Risszähigkeit, desto geringer ist die Neigung zur Ausbreitung eines Risses.

Welche Testverfahren sind für die Bestimmung der Risszähigkeit vorgeschrieben?
Die in der ISO-Norm empfohlene Methode zur Bestimmung der Risszähigkeit ist die SEVNB(Single-Edge V-Notched Beam)-Methode (Abb. 3a). Bei dieser wird in einen Probenkörper mit den Abmessungen 16 × 4 × 3 mm eine 1 mm tiefe Kerbe eingearbeitet. Anschließend wird der Körper in einem speziellen Messgerät mit einem Vorschub von 0,5 mm/min im Drei-Punkt-Biegeversuch bis zur Fraktur belastet. Die Berechnung der Risszähigkeit erfolgt in Abhängigkeit von der Frakturkraft, der Prüfkörpergeometrie und der Tiefe der Kerbe. Bei 3M werden im Sinne einer lückenlosen Qualitätsüberprüfung zusätzlich zwei weitere Verfahren zur Ermittlung der Risszähigkeit eingesetzt: die SCF(Surface Crack in Flexure)-Methode, bei der ein Anriss gesetzt, die Probe gebrochen und die Risszähigkeit unter Berücksichtigung der Defektgröße und der Frakturkraft ermittelt werden (Abb. 3b), und die SID(Surface Indenta­tion)-Methode (Abb. 3c). Dabei werden mit einer Diamantpyramide Oberflächenrisse erzeugt. Die Risszähigkeit ergibt sich aus der Eindruckkraft des Diamanten und der erzeugten Risslänge.

Welche Sollwerte sind für die Einteilung der Keramiken in verschiedene Indikationsklassen angegeben?
Dentalkeramiken werden in fünf Klassen eingeteilt. In der Regel erfüllen mit drei Prozent Yttriumoxid stabilisierte Zirkonoxide (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) die Voraussetzungen für die Klasse 5. Vor­gegeben sind dafür eine Biegefestigkeit von mindestens 800 MPa und eine Risszähigkeit (KIc) größer 5. Der für diese Materialien empfohlene Indikationsbereich reicht von Einzelzahnrestaurationen bis zu Brücken und Brückengerüsten mit langen Spannweiten. Die Anforderungen an Materialien der Klasse 4 sind eine Biegefestigkeit von mindestens 500 MPa und eine Risszähigkeit (KIc) größer 3,5. Meist handelt es sich dabei um Zirkonoxid mit einem Yttriumoxid-Anteil von fünf Prozent (kubisch stabilisiertes Zirkonoxid). Freigegeben sind diese Materialien für Einzelzahnrestaurationen sowie Brücken beziehungsweise Brückengerüste mit maximal drei Gliedern (auch im Seitenzahnbereich). Hochfeste Glaskeramik wie Lithiumdisilikat gehört hingegen zu den Dentalkeramiken der Klasse 3 (Biegefestigkeit > 300 MPa, Risszähigkeit KIc > 2), deren Indikationsbereich Einzelzahnrestaurationen und dreigliedrige Frontzahnbrücken umfasst.

Laut der Einteilung kommt für einige Indikationen ausschließlich tetragonales Zirkonoxid infrage. Welche weiteren Kriterien bestimmen die Materialwahl bei den anderen Indikationen?
Der neben den mechanischen Eigenschaften wichtigste Faktor ist das ästhetische Potenzial eines Materials, das hauptsächlich durch die Transluzenz und die Färbetechnologie bestimmt wird. Dabei gilt die Faustformel: Je höher die Festigkeit eines Materials, desto geringer ist seine Transluzenz (Abb. 4).
Allerdings beeinflusst die gewählte Färbetechnologie beide Eigenschaften. Da die Anforderungen an ein Restaurationsmaterial je nach Indikation unterschiedlich sind, verarbeiten die meisten zahntechnischen Labore mehr als ein Zirkonoxid.

Was spricht für den Einsatz eines Zirkonoxids der Klasse 4 gegenüber dem Einsatz einer Glaskeramik der ­Klasse 3?
Die höhere Festigkeit von Zirkonoxid ist mit mehreren Vorteilen verbunden. Dazu gehört die Freigabe für kleinere Brücken im Seitenzahnbereich ebenso wie eine geringere Mindestwandstärke, die eine substanzschonendere Präparation ermöglicht. Hinzu kommt die Möglichkeit, sowohl Kronen als auch Brücken aus diesem Material selbstadhäsiv befestigen zu können. Diese Befestigungsmaterialien lassen sich besonders effizient einsetzen und sind feuchtigkeitstoleranter als diejenigen, bei denen ein separates Adhäsiv angewendet werden muss. Viele Anwender bevorzugen zudem das Sandstrahlen der Restaurationsinnenflächen, das für Zirkonoxid empfohlen wird. Dieser Vorkonditionierung steht das Ätzen mit Flusssäure gegenüber – ein Verfahren, das viele Anwender ablehnen.

Haben Sie noch einen Tipp für Anwender bezüglich der richtigen Wahl der Zirkonoxide?
Meine Empfehlung lautet, anhand der mechanischen und optischen Eigenschaften ein Zirkonoxid der Klasse 5 und eines der Klasse 4 auszuwählen. Bei den Materia­lien der Klasse 4 kann es sinnvoll sein, verschiedene Varianten im Labor testweise zu verarbeiten, um das ästhetische Potenzial zu vergleichen. Voraussetzung für gute Ergebnisse ist unabhängig vom Werkstoff die exakte Einhaltung der materialspezifischen Verarbeitungsempfehlungen des Herstellers. Je transluzenter die Werkstoffe sind, desto stärker wirken sich Verunreinigungen bei der Verarbeitung oder auch suboptimale Sintertemperaturen auf die Ästhetik des Ergebnisses aus.

3-Punkt-Biegefestigkeit nach ISO 6872:2015
** Risszähigkeit ermittelt mit der Methode Single-Edge V-Notched Beam (SEVNB) nach ISO 6872:2015

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