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ORIGINALARBEIT
❚ U. Koke, J. Daum, P. Rammelsberg, H. Gilde1
Untersuchung zur Zwei-Medien-Abrasion
von Titanverblendkeramiken
Das Abrasionsverhalten von niedrigschmelzenden Titanverblendkeramiken sollte mit dem einer hochschmelzenden Verblendkeramik verglichen werden.
Mit niedrigschmelzenden Keramiken verblendete Proben
wurden im Zwei-Achsen-Kausimulator 100.000 Kauzyklen mit
40 N Auflast unterzogen. Als Kontrolle diente eine hochschmelzende Verblendkeramik. Mit einem 3D-Laserscanner wurde in
Abständen von 20.000 Zyklen das Abrasionsvolumen bestimmt.
Am Versuchsende zeigten die niedrigschmelzenden Titankeramiken einen mittleren Volumenverlust von 0,48 ± 0,19 mm³
(Vitatitan), 0,55 ± 0,19 mm³ (Triceram) bzw. 0,28 ± 0,04 mm³
(Duceratin), die hochschmelzende Keramik (Omega 900) von
0,61 ± 0,12 mm³. Die Unterschiede zwischen Duceratin und Triceram bzw. Omega 900 erwiesen sich als signifikant (p = 0,002
bzw. p = 0,013). Der mittlere Volumenverlust nahm kontinuierlich bis zum Versuchsende zu. Unterschiede zwischen dem Verschleißverhalten der niedrigschmelzenden Keramiken und der
hochschmelzenden Keramik konnten im vorliegenden Zwei-Medien-Abrasionsversuch nicht bestätigt werden.
Schlüsselworte: Abrasion; Keramik, niedrigschmelzende; Titan;
digitale Bildgebungsverfahren; Materialtestung; Werkstoffprüfung
Investigation of two-body-wear of ceramics fused to titanium. The objective of this study was to compare the two-body
wear of low fusing titanium ceramics to that of a higher fusing
ceramic.
Samples of low fusing ceramic fused to titanium were loaded in a dual-axis chewing simulator with 40 N for 100.000 chewing cycles. Samples of a higher fusing ceramic fused to a CoCr
alloy served as controllgroup. In intervalls of 20.000 cycles the
volume loss was measured by a 3D-laserscanner. After 100.000
cycles low fusing titanium ceramics showed a mean volume loss
of 0,48 ± 0,19 mm³ (Vitatitan), 0,55 ± 0,19 mm³ (Triceram), and
0,28 ± 0,04 mm³ (Duceratin), the higher fusing metal ceramic
(Omega 900) of 0,61 ± 0,12 mm³. The differences between Duceratin versus Triceram and Omega 900 proved to be significant
(p = 0,002 and p = 0,013). The mean loss of volume continuously increased to the end of experiment.
Differences between the wear of low fusing ceramics and
the higher fusing ceramic were not confirmed by the present
two-body-wear investigation.
Keywords: abrasion, low fusing ceramic, titanium, digital imaging, materials testing
1
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Mund-, Zahn- und Kieferklinik
Universität Heidelberg (Direktor: Prof. Dr. P. Rammelsberg)
Deutsche Zahnärztliche Zeitschrift 58 (2003) 6
1 Einleitung
Der Verschleiß natürlicher Zähne stellt einen physiologischen Vorgang dar. Nach Hickel [9] wird hierbei unterschieden zwischen Attrition, die durch direkten Zahnkontakt entsteht, und Abrasion, die einen Abrieb durch Partikel darstellt. Die Tribologie, die Lehre von Reibung-VerschleißSchmierung [4], definiert hingegen den Verschleißvorgang
als Zweikörper- und Dreikörperabrasion. Beide Vorgänge
kombinierend [2] schleifen sich antagonistische Zahnpaare
in der Funktion mit der Zeit ein individuelles, fein abgestimmtes Muster von Abrasionen ein.
In dieses komplexe Geschehen greift der Zahnarzt durch
Eingliederung zahnärztlicher Restaurationen ein [7]. Um
Störungen des Funktionsmusters zu minimieren, sollten die
eingebrachten Materialien dem natürlichen Schmelz nicht
nur in der Form sondern auch im Verschleißverhalten entsprechen. Insbesondere der konventionellen Verblendkeramik unterstellt man jedoch eine höhere Abrasionsfestigkeit
als dem Schmelz und daraus resultierend einen höheren Antagonistenverschleiß [8, 10, 13, 17]. Dies kann zu Störkontakten, Okklusionshindernissen und in der Folge zu Funktionsstörungen sowie zu Schäden am Antagonisten führen.
Die Einführung neuerer Legierungen und Metalle ergab
eine Reihe von Problemen bei der Verblendung mit Keramik, deren Ursache z. B. bei Titan in dessen schneller Oxydierung, dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten
und der Gitterumwandlung bei 882° C liegen. Die dadurch
erforderlichen Veränderungen an der Verblendkeramik führten zu niedrigschmelzenden Keramiken. Diesen sagt man
eine geringere Abrasionsfestigkeit [1, 8] und damit ein antagonistenfreundliches Verhalten nach. Daten liegen hierzu jedoch noch nicht im ausreichenden Maß vor.
In der vorliegenden Untersuchung sollte daher das Abrasionsverhalten solcher niedrigschmelzenden Titan-Keramiken in der Zwei-Medienabrasion ermittelt sowie mit einer
hochschmelzenden Verblendkeramik verglichen werden.
2 Material und Methode
Untersucht wurden die Verblendkeramiken Vitatitan (VITA
Zahnfabrik, Bad Säckingen), Triceram (Esprident, Ispringen)
und Duceratin (Ducera Dental, Rosbach), die auf einem Gerüst aus gegossenem Reintitan Grad 1 (rematitan, Dentaurum, Ispringen) aufgebrannt wurden. Die jeweiligen Brenntemperaturen sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Als hochschmelzende Vergleichskeramik diente Omega 900 (VITA
Zahnfabrik, Bad Säckingen) auf einem Grundgerüst aus
CoCrMo (remanium CD, Dentaurum, Ispringen).
Je untersuchtem Verblendmaterial wurden 7 plane Probekörper hergestellt. Der Durchmesser der Probenoberfläche betrug 12 mm, die Dicke der Verblendschicht ca.
© Deutscher Ärzte-Verlag, Köln
343
U. Koke et al.: Abrasion von Titanverblendkeramiken
Titanverblendkeramik
VITAtitan
● Duceratin
● Triceram
●
Brenntemperatur
770/800° C
725/780° C
755/795° C
Gerüstmaterial
● Reintitan Grad 1
Gitterumwandlungspunkt
882° C
Schmelzpunkt: 1668° C
Hochschmelzende
Verblendkeramik
●
Omega
Brenntemperatur
900° C
Gerüstmaterial
CoCrMO
Schmelzintervall:
1360 – 1410° C
●
Zyklenzahl 20.000
U-Test-Paare
Vitatitan/Omega 900
0,066
40.000
0,025*
60.000
0,048*
80.000
100.000
0,110
0,142
Vitatitan/Triceram
0,179
0,035*
0,277
0,406
0,406
Vitatitan/Duceratin
0,002*
0,002*
0,004*
0,009*
0,064
Omega 900/Triceram
0,109
0,110
0,141
0,180
0,482
Omega 900/Duceratin
0,003*
0,002*
0,002*
0,002*
0,002
Triceram/Duceratin
0,002*
0,002*
0,004*
0,004*
0,013*
* signifikant mit p < 0,05
Tabelle 1 Verwendete Keramiken
Tabelle 2 p-Werte der paarweisen Mann-Whitney-U-Tests: Abrasionsvolumen
1,2 mm. Die Oberfläche der Keramik wurde plangeschliffen (Silicon Carbide Paper 2400, Struers, Kopenhagen, Dänemark) und mit Diamantpaste poliert (DP-Paste 3 µm,
Struers). Ein abschließender Glanzbrand erfolgte nicht.
Die Proben wurden im Zwei-Achsen-Kausimulator (Willytec, München) einem Dauerverschleißtest unterzogen. Zur Sicherstellung, dass
lediglich eine Zwei-Medienabrasion stattfindet,
wurden die Proben während des Verschleißtestes permanent mit entmineralisiertem Wasser
gespült.
Als Antagonist fand eine Kugel aus Al2O3-Keramik (Degussit, Friatec, Mannheim) mit einem
Durchmesser von 4,8 mm Verwendung. Um
unterschiedliche
Verschleißvoraussetzungen
von seiten des Antagonisten auszuschließen,
wurde die Kugel bei jedem Probenwechsel ebenfalls ausgewechselt.
Ausgeführt wurden 100.000 Abrasionszyklen
mit einer Wegstrecke von 2 mm unter einer Belastung von 40 N. In jedem Zyklus wurde der Antagonist mit einer Geschwindigkeit von 0,8
mm/s auf die Probe aufgesetzt, am Ende der Exkursion vollständig von der Probe abgehoben Abbildung 2
und an den Anfang der Exkursionsbahn zurückbewegt. In Abständen von 20.000 Zyklen erfolgten Abformungen der Proben mit Polyether und die Anfertigung von
Replika aus Superhartgips.
Die Replika wurden mit einem Laserscanner (Laserscan
3D Pro, Willytec, München) dreidimensional vermessen
(Abb. 1). Ein Oberflächenanalyseprogrammpaket (Scan 3D
Mittlerer Volumenverlust nach 20.000 und 100.000 Zyklen
Version 1.6 und Match 3D Version 2.3, Willytec, München)
bestimmte anhand der Messwerte das Volumen der Abrasionsspur.
Die statistische Analyse der Messwerte erfolgte anhand
des Kruskal-Wallis- Tests und des paarweisen Mann-Whitney-U-Tests mit SPSS für Windows (Version 10.0.7, SPSS
Inc., Chicago, USA).
Zur qualitativen Analyse des Abrasionsvorganges wurden rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REU) der
Prüfkörper und des Antagonisten angefertigt.
3 Ergebnisse
Abbildung 1 Scanbild der Abrasionsspur
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Der Kruskal-Wallis-Test ergab zu allen fünf Messzeitpunkten
beim Abrasionsvolumen signifikante Differenzen (p < 0.01).
Somit konnte ausgeschlossen werden, dass sich die 4 Keramiken hinsichtlich des Zwei-Medienverschleißes gleich verhielten. Der statistische Vergleich der einzelnen Gruppen erfolgte paarweise mit dem Mann-Whitney-U-Test (Tab. 2).
Nach 20.000 Kauzyklen lagen die mittleren Abrasionsvolumina eng beieinander. Vitatitan wies ein mittleres Abrasionsvolumen von 0,11 mm³ ± 0,02, Triceram von 0,13
mm³ ± 0,02 und Omega 900 von 0,15 mm³ ± 0,04 auf. Duceratin zeigte mit 0,05 mm³ ± 0,01 signifikant (p = 0,002 bis
p = 0,003) weniger Materialverlust als die anderen Keramiken. Darüber hinaus zeigte Duceratin eine sehr geringe
Streubreite (Abb. 2).
Deutsche Zahnärztliche Zeitschrift 58 (2003) 6
U. Koke et al.: Abrasion von Titanverblendkeramiken
der Versuchdauer rasterelektronische Aufnahmen der Keramikkugeln in zwei Ebenen im Winkel von 90° zueinander angefertigt (Abb. 6). In
beiden Ebenen sind keine Abflachungen zu erkennen. Die Kurvatur erscheint völlig harmonisch. Inhomogenitäten sind in dieser Vergrößerung nicht erkennbar. Verschleißsymptome fehlen.
4 Diskussion
Abbildung 3 Zeitlicher Verlauf der Mittelwerte des Abrasionsvolumens
Eine ähnlich geringe Streubreite wies Duceratin auch
nach 100.000 Kauzyklen auf, während die Streuung der anderen Keramiken erheblich zunahm (Abb. 2). Vitatitan und
Triceram zeigten einen mittleren Volumenverlust von ca.
0,48 mm³ ± 0,19, bzw. 0,55 mm³ ± 0,19. Die hochschmelzende Keramik Omega 900 unterschied sich mit 0,61 mm³ ±
0,12 kaum von diesen. Triceram und Omega 900 abradierten
jedoch signifikant (p = 0,002 bzw. 0,013) mehr als Duceratin
mit einem mittleren Verlust von 0,28 mm³ ± 0,04. Bei Vitatitan lag der Unterschied gering (p = 0,064) über der Signifikanzgrenze.
Betrachtet man die Mittelwerte im Versuchsablauf, so ist
eine kontinuierliche Zunahme des Abrasionsvolumens
(Abb. 3) bis zum Versuchsende zu erkennen. Ebenso zeigte
sich, dass die Relation zwischen den Keramiken zu allen
Messzeitpunkten erhalten blieb.
Die REM-Aufnahme der Abrasionsmulde in 30facher
Vergrößerung (Abb. 4) gibt wieder, dass die Breite der Abrasionsspur vom Aufsetzort zum Endpunkt der Exkursion zunimmt. Parallel zur Exkursionsrichtung sind Längstexturen
zu erkennen. In der Ausschnittsvergrößerung aus dem Aufsetzbereich (Abb. 5) sind deutlich schollenartige Abplatzungen zu erkennen, unter denen die poröse Struktur der Keramik zum Vorschein kommt.
Um die Auswirkung der Abrasionsversuche auf den Antagonisten zu untersuchen, wurden nach dem Dreifachen
Bei Verschleißuntersuchungen werden häufig 3Medienabrasionstests zur Simulation von Abrieb
angewendet [5, 7]. Hierbei sind neben den Antagonisten auch pH-abhängige Lösungsvorgänge
sowie Materialeigenschaften der im Abrasionsbrei enthaltenen Festkörper zu berücksichtigen
[7]. Bei durch Störkontakte hervorgerufenen Parafunktionen finden jedoch meist Leermastikationen statt, die eine Zwei-Medienabrasion darstellen. Die hierbei entstehenden Substanzverluste sind Folge der direkten Einwirkung der Antagonistenoberflächen aufeinander. Um diesen direkten Verschleiß bestimmen zu können, wurde ein Versuchsaufbau zur ZweiMedienabrasion gewählt. Die Spülung der Probenoberflächen mit Wasser diente der Entfernung des Abriebs [6, 13],
der somit nicht als Abrasivmedium zur Verfügung stand.
Eine Auflast von 40 N liegt innerhalb der üblicherweise auftretenden Kaukräfte und wurde bereits in vorherigen In-vitro-Verschleißstudien verwendet [2, 11, 16]. Um Aussprengungen der Keramik am Rand der Proben zu vermeiden, wurde die Länge der Exkursionsbahn auf 2 mm eingestellt, zumal Schliffflächen häufig keine größere Ausdehnung aufweisen. Je Material wurden 100.000 Exkursionen durchge-
Abbildung 5 REM-Aufnahme des Aufsetzortes. (Vergr. 460:1)
Abbildung 4 REM-Aufnahme der Abrasionsmulde. (Vegr. 30:1)
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Abbildung 6 REM-Aufnahme der Antagonistenkugel in 2 Ebenen.
(Vergr. 25:1)
345
U. Koke et al.: Abrasion von Titanverblendkeramiken
führt. Während diesen Zeitraumes zeigten die erhaltenen
Messwerte einen linearen Verlauf. Die Relation der Materialien zueinander änderte sich in Bezug auf das Verschleißverhalten nicht. Auf eine größere Zyklenzahl konnte somit verzichtet werden. Der natürliche Abrasionszyklus beeinhaltet
immer wieder auch ein Aufsetzen und Lösen der Antagonisten mit entsprechenden Impulsen und deren Auswirkungen. Deshalb wurde im vorliegenden Versuch ebenfalls ein
solches Vorgehen gewählt. Damit erfolgte im Aufsetzbereich
zusätzlich zur rein abrasiven Komponente eine Belastung
auf Stoß. Die REM-Aufnahmen (Abb. 4 und 5) belegen, dass
der Substanzverlust im Aufsetzbereich des Antagonisten
eine Kombination aus Abplatzungen und Abrasion darstellt.
Dem rein horizontalen Verschleißzyklus entsprechen die linienförmigen Strukturen. Sie lassen sich aus dem Zusammenwirken lokal differenter Härtegrade der Keramik
und der Oberflächenstruktur der Antagonistenkugel erklären. Auf einen Glanzbrand wurde verzichtet, da nach einer
abschließenden Glasur die Probenoberfläche nicht mehr
planparallel ist. Die plane Oberfläche ermöglichte es in Zusammenhang mit den aufgebrachten Markierungen, die
beim Matchen von Probenoberflächen mit dem 3D-Laserscanner auftretenden Ungenauigkeiten zu verringern [14,
15]. Hinzu kommt, dass die Glanzbrandschicht im Abrasionsversuch bereits innerhalb von 2 Stunden abradiert ist
[12]. Darüber hinaus wiesen Jacobi et al. [11] nach, dass eine
gut polierte Oberfläche weniger abrasiv als glasierte Keramik
ist, so dass im zunehmenden Maße auch Keramikverblendungen nach dem Feineinschleifen nicht mehr einem
Glanzbrand unterzogen sondern Hochglanz-poliert werden.
Bei der Wahl des Antagonisten wurde Zahnschmelz ausgeschlossen, da die inter- und intraindividuelle Schwankung
der Oberflächenkrümmung sowie der Härte des Schmelzes
natürlicher Zähne den Vergleich der Messungen erschwert.
Um der sphärischen Form natürlicher Okklusionskontaktflächen nahe zu kommen wurden Kugeln als Antagonisten
verwendet. Ferner konnte so die in Vorversuchen beobachtete Verrundung von Ecken und Kanten bei quaderförmigen
Stäben vermieden werden. Als Material für die Kugeln wurde Al2O3-Keramik gewählt. Diese erwies sich in Vorversuchen als abrasionsresistent und formstabil. Somit konnte
ausgeschlossen werden, dass eine Veränderung der Antagonistenform im Versuchsablauf das Ergebnis der Abrasion
am Prüfkörper beeinflusste. Da sich die andere Härte und
der andere Reibungskoeffizient auf alle Prüfmaterialien auswirken, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Relation zwischen diesen nicht verschiebt.
In der 2-Medienabrasion verhielten sich die Keramiken
Vitatitan und Triceram nicht weniger verschleißfest als die
höher schmelzende Keramik Omega 900. Duceratin weist
dagegen einen sowohl bei 20.000 als auch bei 100.000 Zyklen
signifikant geringeren Verschleiß als die übrigen Keramiken
auf. Dies korreliert mit den Untersuchungen von Clelland et
al. [3]. Die geringe Streuung sowohl der Werte für das Ver-
346
lustvolumen als auch für die Abrasionstiefe lassen vermuten,
dass Duceratin weniger empfindlich auf Abweichungen bei
der Verarbeitung reagiert als die anderen Keramiken.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass in der
Zwei-Medienabrasion eine höhere schmelzprotektive Wirkung der niedrigschmelzenden Keramiken im Vergleich zu
den höher schmelzenden Keramiken aus den vorliegenden
Ergebnissen nicht hergeleitet werden kann.
Literatur
1. Al-Hiyasat, A. S., Saunders, W.P ., Sharkey, S. W., Smith, G. M., Gilmour, W. H.:
Investigation of human enamel wear against four dental ceramics and gold. J
Dent 26, 487 (1998).
2. Al-Hiyasat, A. S., Saunders, W. P., Smith, G. M.: Three-body wear associated
with three ceramics and enamel. J Prosthet Dent 82, 476 (1999).
3. Clelland, N. L., Agarwala, V., Knobloch, L. A., Seghi, R. R.: Wear of enamel opposing low fusing and conventional ceramic restaurative materials. J Prosthodont 10, 8 (2001).
4. DIN 50320: Deutsche Normen, Verschleiß – Begriffe, Systemanalyse von Verschleißvorgängen, Gliederung des Verschleißgebietes. Beuth, Berlin 1979.
5. De Gee, A. J., Pallav, P., Davidson, C. L.: Effect of abrasion medium on wear of
stress-bearing composites and amalgam in vitro. J Dent Res 65, 654 (1986)
6. DeLong, R., Sasik, C., Pintado, M. R., Douglas, W. H.: The wear of enamel
when opposed by ceramic systems. Dent Mater 5, 266 (1989).
7. Graf, K., Rammelsberg, P., Mehl, A., Kunzelmann, K. H.: In-vitro-Untersuchungen zur Drei-Medien-Abrasion von Zahnhartsubstanz und Metalllegierungen.
Dtsch Zahnärztl Z 56, 495 (2001).
8. Hacker, C. H., Wagner, W. C., Razzoog, M. E.: An in vitro investigation of the
wear of enamel on porcelain and gold in saliva. J Prosthet Dent 75, 14 (1996).
9. Hickel, R.: Forschungsbericht Zahnabrasion: Zahnabrasion und beruflich bedingte Einflüsse bei Steinbrucharbeiten. Schriftenreihe des Hauptverbandes
der gewerblichen Berufsgenossenschaften. Sankt Augustin 1989.
10. Hudson, J. D., Goldstein, G. R., Georgescu, M.: Enamel wear caused by three
different restorative materials. J Prosthet Dent 74, 647 (1995).
11. Jacobi, R., Shillingburg, H. T., Duncanson, M. G.: A comparison of the abrasivness of six ceramic surfaces and gold. J Prosthet Dent 66, 303 (1991).
12. Jagger, D. C., Harrison, A.: An in vitro investigation into the wear effects of unglazed, glazed and polished porcelain on human enamel. J Prosthet Dent 72,
320 (1994).
13. Metzler, K. T., Woody, R. D., Miller, A. W., Miller, B. H.: In vitro investigation of
the wear of human enamel by dental porcelain. J Prosthet Dent 81, 356
(1999).
14. Mehl, A., Gloger, W., Kunzelmann, K. H., Hickel, R.: Entwicklung eines neuen
optischen Oberflächenmeßgerätes zur präzisen dreidimensionalen Zahnvermessung. Dtsch Zahnärztl Z 51, 23 (1996).
15. Mehl, A., Gloger, W., Kunzelmann, K. H., Hickel, R.: A new optical 3-d device
for the detection of wear. J Dent Res 76, 1799 (1997).
16. Ratledge, D. K., Smith, B. G., Wilson, R. F.: The effect of restorative materials
on the wear of human enamel. J Prosthet Dent 72, 194 (1994).
17. Wiley, M. G.: Effects of porcelain on occluding surfaces of restored teeth. J
Prosthet Dent 61, 133 (1989)
Manuskript eingegangen: 12. 08. 2002
Manuskript angenommen: 14. 12. 2002
❚
Korrespondenzadresse:
Dr. Ulrich Koke
Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik
Im Neuenheimer Feld 400
D-69120 Heidelberg
Deutsche Zahnärztliche Zeitschrift 58 (2003) 6