Zur Festigkeit von Dentalkeramiken

Dentalkeramik wird zunehmend als eine Alternative zu Dentallegierungen angesehen. Vorwiegend liegt die Attraktion in dem ästhetischen zahnfarbenen Erscheinungsbild, aber auch in der weitgehend unumstrittenen Verträglichkeit dieses Werkstoffs. Mehr als 40 Jahre liegen hierzu klinische Erfahrungen aus dem Bereich der Metallkeramik vor. Spätestens seit der Erfindung und Markteinführung der Aluminiumoxid-verstärkten Keramik In-Ceram (Vita, Bad Säckingen) zu Beginn der 90er Jahre [Claus 1990, Pröbster 1993] des vorigen Jahrhunderts richtet sich das Interesse auch auf Dentalkeramik als Gerüstwerkstoff, um damit auch im Seitenzahnbereich vollständig metallfreie Restaurationen einbringen zu können. Ende der 90er Jahre wurde die Lithium-Disilikat-Keramik Empress 2 (IvoclarVivadent, Schaan, FL) auf dem Markt eingeführt [Frank et al. 1998, Edelhoff et al. 1999, Pospiech et al. 1999], mit welcher ebenfalls kleinere metallfreie Brücken im Seitenzahnbereich möglich wurden. Zurzeit richtet sich nun – obwohl ebenfalls schon in den 90er Jahren [Kappert 1996, Luthardt et al. 1998] zumindest mit dem CAD/CAM-System DCS als Gerüstwerkstoff (DC Zirkon, DCS Dental Ag, Allschwil, CH) angeboten – das Hauptaugenmerk auf Zirkoniumoxid [Geis-Gerstorfer und Fässler 1999, Tinschert et al. 1999], womit die Hoffnung verbunden ist, nun alle Probleme mit den schwächeren Keramiktypen überwunden zu haben (Abb. 3).

Als sensationell wurde seinerzeit die Materialfestigkeit von In-Ceram bewertet, für welches eine Biegefestigkeit von mehr als 400 MPa ermittelt werden konnte. Bis dahin existierten im Dentalbereich lediglich die Metallkeramiken mit etwa 70 MPa, einige frühe Erscheinungen, wie Dicor oder Hi- Ceram, mit Biegefestigkeiten von 100 – 150 MPa. Bei In-Ceram wurde dem hohen Festigkeitswert aufgrund des hohen Aluminiumoxidgehaltes Verständnis entgegengebracht. Erstaunlich war allerdings die Lithium- Disilikat-Keramik Empress 2 oder auch die neueren Varianten Optec OPC 3 G (Jeneric Pentron, Kusterdingen) und Style Press (Metalor, Neuchatel, CH), weil sie als Glaskeramiken mit hoher Transluzenz trotzdem in den gleichen Festigkeitsbereich eindringen konnten.

Die folgende Abhandlung beschäftigt sich mit dem Begriff Biegefestigkeit. Ausgangspunkt der Überlegungen war das erstaunliche Ergebnis einer Untersuchungsreihe zur Festigkeitsprüfung dreigliedriger Seitenzahnbrücken (Abb. 1 und 2) verschiedener metall- und vollkeramischer Systeme mit möglichst identischem Design und Prüfprotokoll. Es zeigte sich hier, dass Brücken mit Zirkoniumoxidgerüsten (Abb. 3) eine höhere Festigkeit aufwiesen [Kappert und Krah 2001], als vergleichbare metallkeramische Brücken mit einem Gerüst aus einer Goldlegierung oder auch aus Titan (Abb. 4).

Bei Dentallegierungen wird die Festigkeit üblicherweise durch die 0,2 Prozent-Dehngrenze beschrieben. Mit den DIN-Normen werden vier Typen von Edelmetall-Legierungen hinsichtlich dieser 0,2 Prozent-Dehngrenze mit einer Empfehlung für die Beanspruchbarkeit unterschieden (Tab. 1). Für den herausnehmbaren Zahnersatz werden die noch festeren CoCr-Legierungen mit einer 0,2 Prozent-Dehngrenze von mehr als 500 MPa empfohlen. Bei Dentalkeramiken gibt es eine solche Einteilung für Gerüstkeramiken nicht. In der DIN EN ISO 6872 wird nur für Dentalkeramiken, die als Gerüstwerkstoff Anwendung finden können, eine Biegefestigkeit von mehr als 100 MPa gefordert. Es stellt sich hier die Frage, ob zwischen der 0,2 Prozent-Dehngrenze für Metalle und der Biegefestigkeit für Keramiken ein physikalischer Zusammenhang besteht, der die Festigkeitsanforderungen der beiden Werkstoffgruppen vergleichbar macht.

Den Dentalkeramiken wird häufig unterstellt, sie seien nicht elastisch sondern spröde. Diese Aussage ist erstens falsch und zweitens unlogisch.

1. Elastizität wird durch den Elastizitätsmodul quantifiziert. Der Elastizitätsmodul beschreibt den Widerstand gegen eine elastische Verformung. Diese Eigenschaft haben grundsätzlich alle Werkstoffe. Die im Dentalbereich üblichen Legierungen und Keramiken haben sogar ziemlich ähnliche Elastizitätsmodule (Tab. 2 und 3, Abb. 5). Edelmetall- Legierungen haben einen Elastizitätsmodul von zirka 80 bis 130 MPa, NEM-Legierungen im Bereich von 180 bis 230 MPa. Diese Tatsache wird bei dentalen Restaurationen ausgenutzt, wenn zum Beispiel besonders grazile Strukturen bei hoher Beanspruchung notwendig sind, wie etwa mit der Verwendung von CoCr-Legierungen bei langspannigen Brücken oder Modellgussarbeiten. Dentalkeramiken haben Elastizitätsmodule zwischen 50 MPa für einfache Glaskeramiken bis zu 300 MPa bei Aluminiumoxid. (Tab. 3 und Abb. 5). Sie setzen also bei einer elastischen Verformung der Belastung je nach Keramiktyp zwar unterschiedlich aber dennoch einen ähnlich großen Widerstand wie die Dentallegierungen entgegen. Die Aussage, Keramiken seien nicht elastisch, ist darum falsch.

2. Wichtig ist die Grenze der elastischen Verformbarkeit. Bei den Dentallegierungen wird sie durch die Elastizitätsgrenze angegeben. Aus Gründen der leichteren Messbarkeit wird die 0,2 Prozent-Dehngrenze als technische Elastizitätsgrenze ersatzweise im Dentalbereich benutzt (Abb. 6). Sie liegt jenseits der echten Elastizitätsgrenze, denn bei dieser Beanspruchung wird ein Metall im Zugversuch schon um 0,2 Prozent bleibend, also plastisch verformt. Bleibende Verformungen bedeuten eine Beschädigung des Werkstoffs. Im Dentalbereich, beispielsweise bei Brücken, ist eine solche Verformung nicht zulässig, weil dann Okklusion und Passung nicht mehr stimmen. Alle Metallkonstruktionen müssen in ihren Querschnitten so gestaltet sein, dass sie unter den üblichen Kaukräften die 0,2 Prozent-Dehngrenze nicht erreichen.

Dentalkeramiken lassen sich bei den üblichen Temperaturen in der Mundhöhle nicht plastisch verformen. Sie lassen zwar eine elastische Verformung zu, ähnlich wie die Metalle, aber bei Erreichen der Grenze ihrer elastischen Verformbarkeit zerbrechen sie. Diese Tatsache wird als Sprödigkeit bezeichnet. Alle Keramikkonstruktionen müssen in ihren Querschnitten so gestaltet sein, dass sie unter den üblichen Kaukräften niemals brechen. Der Unterschied zwischen Metallen und Keramiken liegt darin, dass Metalle plastisch verformbar (duktil oder zäh) sind, Keramik dagegen spröde; elastisch sind beide Werkstoffgruppen. Die oben gemachte Aussage ist unlogisch, weil Sprödigkeit kein Gegensatz zu Elastizität, sondern zur Plastizität (Duktilität, Zähigkeit) ist.

Die Festigkeitseigenschaften von Metallen werden im Zugversuch ermittelt, weil das technisch einfacher ist, die von Dentalkeramik im Biegeversuch, weil ein Zugversuch mit Keramik aufgrund auftretender Scherspannungen durch nicht-axiale Anordnung der Probenhalterungen technisch kaum durchführbar ist. Beim Zugversuch tritt eine nahezu homogene Spannung über den gesamten Querschnitt im Inneren als auch am Rand des Prüfkörpers auf. Diese Spannung führt zunächst nur zu einer elastischen Verformung. Die schwächste Stelle im Material leitet bei zunehmender Belastung die plastische Verformung ein.

Beim Biegeversuch ist im Prüfkörper eine Zugzone, eine neutrale Faser und eine Druckzone zu unterscheiden. Die kritische Größe ist die Randspannung in der Zugzone. Hier tritt zuerst nur eine elastische Verformung auf. Die schwächste Stelle in der Oberfläche, die in der Zugzone liegt, leitet die plastische Verformung bei Metallen ein. Durch Anwendung entsprechender mathematischer Formeln kann aus beiden Versuchsanordnungen der Elastizitätsmodul, der im Biegeversuch auch häufig Biegemodul genannt wird, ermittelt werden (Abb. 5, Tab. 2 und 3). Trotz aller Unterschiede der Versuchsanordnungen ist in beiden Fällen die Bedeutung der kritischen Zugspannung, die zur plastischen Verformung bei Metallen führt, im Prinzip gleich. Mit beiden Versuchsanordnungen kann also die Grenze der elastischen Verformbarkeit, die Elastizitätsgrenze, ermittelt wird. Das gleiche gilt auch für Keramiken. Sie zeigen im Biegeversuch zunächst ein elastisches Verhalten, aus welchem der Elastizitätsmodul (Biegemodul) ermittelt werden kann. Es kann auch der Grenzwert der elastischen Belastbarkeit ermittelt werden, und zwar genau dann, wenn der keramische Prüfkörper zu Bruch geht. Dieser Grenzwert wird im Allgemeinen bei keramischen Werkstoffen als Biegefestigkeit (Abb. 6 und Tab. 3) bezeichnet, er ist aber eben zugleich die Elastizitätsgrenze. Die bis hier durchgeführten Überlegungen erlauben die Schlussfolgerung, dass die Elastizitätsgrenze bei Metallen ersatzweise durch die 0,2 Prozent-Dehngrenze beschrieben wird, bei Keramiken durch die Biegefestigkeit, oder:

Kurz gefasst: Elastizitätsgrenze ≅ 0,2 Prozent- Dehngrenze bei Metallen ≅ Biegefestigkeit bei Keramiken.

Je drei Prüfkörper aus der Goldlegierungen IPS d.Sign 98, der Palladiumlegierung IPS d.Sign 59 und der CoCr-Legierung IPS d.Sign 30 (alle IvoclarVivadent) (Tab. 2) mit den Abmessungen 25 x 3 0,5 mm3 sowie aus den Keramiken Empress classic, Empress 2 und Zirkoniumoxid (Tab. 3) mit den Abmessungen 20 x 3 x 1 mm3 wurden im Dreipunkt-Biegeversuch in einer Universalprüfmaschine (Zwick, Neu-Ulm) bei einer Auflagenweite von 15 mm (Abb. 7a) getestet. Die Spannungs-Dehnungs-Diagramme wurden registriert. Die aufgezeichnete Spannung in MPa oder N/mm2 ist die in der Zugzone des Prüfkörpers auftretende Randspannung, die aufgezeichnete Dehnung in Prozent ist die in der Zugzone hervorgerufenen Dehnung (Abb. 8, 9 und 10). Die unterschiedlichen Prüfkörpergeometrien werden bei der Umrechnung der für die Durchbiegung angewendeten Kräfte in die im Prüfkörper vorliegende Spannung berücksichtigt. Der zu Beginn der Durchbiegung vorliegende lineare Anteil der Spannungs-Dehnungskurve beschreibt die elastische Verformung der Prüfkörper. Die Kurve ist um so steiler, je größer der Elastizitätsmodul des Werkstoffs ist (Tab. 2). Bei höherer Spannung flacht die Spannungs-Dehnungskurve mit einem nicht-linearen Anstieg leicht ab. Dies ist das Kennzeichen für die plastische Verformung. Die Gegenüberstellung der aus dem Kurvenverlauf berechneten Werte für die Elastizitätsgrenze stimmt nicht gut mit den vom Hersteller angegebenen Werten für die 0,2 Prozent-Dehngrenze überein. Sie liegen teilweise drunter, aber auch drüber. Zu niedrige Werte lassen sich durch Gieß- und Gefügefehler (Lunker) in den Plättchen erklären, zu hohe Werte können aufgrund der Kaltverformung und Verdichtung der Metalloberfläche beim Schleifen und Polieren zurückgeführt werden. Bei realen zahntechnischen Metallarbeiten treten ähnliche Effekte auf.

Auch die Spannungs-Dehnungs-Diagramme (Abb. 8) für die keramischen Plättchen zeigen einen linearen Anstieg, aus welchem sich der Elastizitäts- oder Biegemodul berechnen lässt. Allerdings wird in diesen Fällen die Elastizitätsgrenze durch den Bruch der Plättchen charakterisiert. Es liegt also, wie bekannt, ein spröder Werkstoff vor. Die beim Bruch vorliegende maximale Spannung in der Zugzone der Keramikplättchen ist die Biegefestigkeit, im Fall von Empress classic 160 MPa, bei Empress 2 sind es 408 MPa (Tab. 2).

Eine besonders interessante Übereinstimmung liegt im elastischen Kurvenverlauf für die Lithium-Disilikat-Keramik Empress 2 und die Goldlegierung d.Sign 98 (Abb. 8) vor. Beide Werkstoffe haben einen Biegemodul von etwa 80 GPa und eine Elastizitätsgrenze von etwa 410 MPa. Das Metall geht bei höherer Belastung in die plastische Verformung über (Abb. 7b), während die Keramik bei dieser Grenzbelastung zerbricht (Abb. 7c). Aus der Gegenüberstellung der Spannungs- Dehnungs-Diagramme dieser beiden Werkstoffe geht hervor, dass bei nur elastischer Beanspruchung ein vergleichbares mechanisches Verhalten vorliegt.

Abb. 9 zeigt das Spannungs-Dehnungs-Diagramm der CoCr-Legierung d.Sign 30, woraus sich ein Biegemodul von 210 GPa errechnet bei einer Elastizitätsgrenze von 765 MPa. Aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm für Zirkoniumoxid (Abb. 10) ergibt sich ein Biegemodul von nur 165 GPa und eine Elastizitätsgrenze beziehungsweise Biegefestigkeit von 1345 MPa (Tab. 3). Hier ist festzuhalten, dass die beiden Werkstoffe CoCr-Legierung und Zirkoniumoxid ein „fast“ ähnliches elastisches Verhalten zeigen, dass aber die Elastizitätsgrenze beim Zirkoniumoxid deutlich höher liegt. Insbesondere wird aber aus der Gegenüberstellung der Spannungs-Dehnungs-Diagramme aller Werkstoffe deutlich, dass Zirkoniumoxid eine mechanische Belastung besser elastisch auffangen kann als Goldlegierungen oder Titan. Damit wird auch die deutlich höhere Belastungsfähigkeit von dreigliedrigen Brücken mit Zirkoniumoxidgerüsten im Vergleich zu metallkeramischen Brücken plausibel. Nur eine Brücke mit einem Gerüst aus einer guten CoCr-Legierung wäre nahezu gleichwertig.

Natürlich gibt es weitere gravierende Unterschiede zwischen den beiden Werkstoffgruppen Metall und Keramik. Der wichtigste wird durch den Begriff Risszähigkeit quantifiziert, der für Dentalkeramiken zwischen 0,7 für einfache Glaskeramiken bis zu 12 MPa m1/2 für Zirkoniumoxid liegt, bei Metallen aber Werte bis zu 100 MPa m1/2 erreichen kann [Munz und Fett 1989, Hennike und Klein 1996].

Die Gefahr des unterkritischen Risswachstums bis zum Bruchversagen keramischer Restaurationen wird reduziert und für die klinische Anwendung in akzeptablen Grenzen gehalten, wenn

1. möglichst fehlerfreie Materialien, zum Beispiel industriell gefertigte Rohlinge für die Press- oder CAD/CAM-Technik, verwendet werden und wenn

2. die Querschnitte dentaler Restaurationen so beschaffen sind, dass – wie schon oben gefordert – die mechanischen Belastungen in der Mundhöhle nur zu leichten elastischen Verformungen führen.

Das Ziel der vorliegenden Abhandlung war es, die langjährige Erfahrung, die hinsichtlich Materialfestigkeit bei Dentallegierungen vorliegt und die auch in den ISO-Normen mit Blick auf die Belastbarkeit beschrieben und festgelegt wird, für eine grobe Einschätzung der Belastbarkeit von Dentalkeramiken nutzen zu können. Unter diesem Gesichtspunkt ist beispielsweise Empress classic (wie auch alle anderen leucithaltigen Glaskeramiken) mit einer Legierung vom Typ 1 zu vergleichen, Empress 2 (wie auch alle anderen Lithium-Disilikat-Keramiken und auch die In-Ceram-Varianten) mit einer Legierung vom Typ 4, wobei anzumerken ist, dass die meisten Typ 4-Legierungen die Minimalanforderung der Norm für die 0,2 Prozent-Dehngrenze von 360 MPa mit Werten über 500 MPa weit übersteigen. Für Zirkoniumoxid ist der Vergleich mit hochfesten CoCr- Legierungen erlaubt.

Es bleibt auch festzuhalten, dass das Frakturverhalten der beiden Werkstofftypen unterschiedlich ist. Alle hier angesprochenen Materialien werden, wenn sie als Gerüstwerkstoff klinisch angewendet werden, noch mit einer relativ schwachen Glaskeramik verblendet. Bei Überlastung frakturiert immer zunächst das Verblendmaterial. Bei metallkeramischen Restaurationen führen diese Frakturen zu Rissen und Abplatzungen mit einer leichten Verbiegung des Metallgerüstes. Die hohe Risszähigkeit des Metalls stoppt den eingeleiteten Riss, gleichgültig aus welcher Richtung er aufs Metall trifft, an der metallkeramischen Grenzfläche. Bei keramischen Gerüsten pflanzt sich der Riss in der Verblendkeramik abhängig vom Richtungsverlauf häufig bis ins Gerüst fort, so dass es zu einer Totalfraktur kommt. Darum ist bei keramischen Restaurationen besonders wichtig, die Dimensionierung der Gerüststruktur so zu gestalten, dass die Verblendkeramik die elastischen Verformungen des Gerüstes unter den funktionellen Belastungen in der Mundhöhle tolerieren kann. Ein hoher Elastizitätsmodul, wie bei Zirkoniumoxid, ist dabei vorteilhaft.

Prof. Dr. Heinrich F. KappertAm Exerzierplatz 25FL-4990 Vaduz

\n

0,2 %-Dehn-grenze in MPa

Bruchdeh-nung in %

Beanspruchung

Beispiele

\n

Typ 1

 80

 18

geringe

Inlays

\n

Typ 2

180

10

mittlere

Inlays, Einzel-(Vollguss)-krone

\n

Typ 3

270

5

hohe

Teilkronen, verblendete Kronen Brückenanker, Zwischenglieder

\n

Typ 4

360

3

sehr hohe

dünnwandige Teilkronen, weitspannige Brücken

\n

\n

Legierung

Haupt-bestandteile

0,2 % Dehn-grenze in MPa

E-Modul in GPa

Elastizitäts-grenze in MPa, exp.

Biegemodul in GPa, exp.

\n

IPS d.Sign 98

Au85,9 Pt12,1 Zn1,5

510 - 605

80

412

85

\n

IPS d.Sign 59

Pd59,2 Ag27,9 Sn8,2

490 - 660

139

717

125

\n

IPS d.Sign 30

Co60,2 Cr30,1 Ga3,9

520

234

765

210

\n

\n

Keramik

Biegefestigkeit in MPa

Biegemodul in GPa, exp.

Biegefestigkeit in MPa, exp.

\n

Empress classic

> 120

53

160

\n

Empress 2

> 350

82

408

\n

DC Zirkon

1290

165

1345

\n