Allgemeine Zahnheilkunde


Wie viel Licht brauchen Bulk-Fill-Komposite für eine adäquate Polymerisation?


Diese Frage beantworteten die Autorinnen dieses Beitrags mit einer Studie zum Einfluss verschiedener Belichtungsprotokolle auf die Polymerisationsgüte von vier niedrigviskosen und drei hochviskosen Bulk-Fill-Kompositen. Die Werkstoffe wurden 16 unterschiedlichen Belichtungsprotokollen mit variierenden Belichtungsprogrammen, Belichtungszeiten und Belichtungsabständen zwischen Lampe und Oberfläche unterworfen, um anschließend die Qualität der daraus resultierenden Polymerisation zu untersuchen. Die Autorinnen konnten so ermitteln, welche Energiedichte für eine ausreichende Polymerisation der untersuchten Werkstoffe notwendig ist und welche Belichtungszeit gekoppelt mit welcher Lichtintensität ein adäquates Ergebnis erbringt.

In unserem vorangegangenen ZMK-Beitrag (Heft 3/2014) – Bulk-Fill-Komposite: neue Entwicklungen oder doch herkömmliche Komposite*? – wurde ausführlich über die Eigenschaften und Besonderheiten von Bulk-Fill-Kompositen berichtet. Die in dem Beitrag dargestellten Eigenschaften bezogen sich auf ideale Polymerisationsbedingungen und somit auf vollständig auspolymerisierte Werkstoffe. Unter klinischen Bedingungen muss jedoch angenommen werden, dass die gewünschte Lichtmenge nicht gänzlich die Kompositfüllung erreichen wird. Auch eine zu lange Polymerisation bei hoher Lichtintensität soll vermieden werden, da die Gefahr der Pulpaerhitzung damit verbunden ist. Es stellt sich also die Frage: Wie tolerant sind Bulk-Fill-Komposite für Variationen der Lichtmenge und wo liegen die Grenzen für eine adäquate Polymerisation? Diese Überlegungen werden nicht nur für die Füllungsoberfläche betrachtet, sondern, viel wichtiger, in der Tiefe der Füllung, da Bulk-Fill-Komposite unter klinischen Bedingungen eine Inkrementstärke von bis zu 4 mm gewährleisten müssen.

Lichtintensität und Aushärtungszeit beim Polymerisieren

Es besteht zurzeit kein allgemeiner Konsensus über die Dauer und Irradianz (= Lichtintensität) der Belichtung für eine adäquate Polymerisation von Kompositen. Sowohl herkömmliche [1,2] als auch Bulk-Fill-Komposite [3,4] haben eine materialabhängige Empfindlichkeit für Variationen in der Belichtung unter simulierten klinischen Bedingungen bewiesen. Eine genaue Quantifizierung der notwendigen Lichtmenge fehlt jedoch bislang.

Für eine optimale Aushärtung von Kompositmaterialien ist die Entwicklung einer Strategie der Polymerisation mindestens genauso wichtig wie die Art der eingesetzten Lichtquelle. Die Polymerisationsreaktion startet durch die Aktivierung des Fotoinitiators und durch Absorption eines Photons. Die absorbierte Energie des Photons führt zu einer Änderung der Molekularstruktur und Entstehung eines Radikals. Die Zahl der aktivierten Fotoinitiatoren während der Lichtpolymerisation ist von der Zahl der Fotoinitiatoren, die im Material beinhaltet sind, der Zahl der Photonen, denen das Material ausgesetzt wird, und der Energie der Photonen abhängig. Die Anzahl der Fotoinitiatoren in einem Material ist eine vom Hersteller festgesetzte Materialeigenschaft, während die Zahl und Energie der Photonen durch die Auswahl der Lichtquelle/des Polymerisationsprogramms eingestellt werden kann. Die Aktivierung des Fotoinitiators wirkt dann am besten, wenn die Photonenenergie (und implizit deren Wellenlänge) der benötigten Aktivierungsenergie der Initiatoren gleicht. Der meist eingesetzte Initiator für Dentalmaterialien, Kampherchinon (CQ), zeigt ein Absorptionsspektrum zwischen 360 bis 550 nm mit einem Maximum bei 470 nm. Alternative Initiatorsysteme (wie z. B. Lucerin und Ivocerin) haben ein Maximum des Absorptionsspektrums bei Wellenlängen kleiner als 450 nm. Diese Überlegungen zeigen, dass die relevanten Lichteigenschaften für die Aktivierung des Initiators die Wellenlänge und die Zahl der Photonen sind. Die Photonenzahl (Energiedichte) wird umgangssprachlich auch als „Dosis“ benannt und wird definiert als Lichtintensität x Belichtungszeit. Ältere Studien haben gezeigt, dass für eine adäquate Polymerisation herkömmlicher Komposite die Dosis ein Minimum von 16 J/cm² für die Polymerisation eines 1 mm starken Inkrements bzw. 24 J/cm² für ein 2 mm dickes Inkrement [5] aufweisen muss. Für die Polymerisation einer Füllung ist aus ökonomischen Gründen eine kurze Aushärtungszeit erwünscht. Wenn die Gleichung: Dosis = Lichtintensität x Zeit berücksichtigt wird, würde eine Halbierung der Zeit eine Verdoppelung der Lichtintensität erfordern, um die gleiche Dosis zu erreichen. Es muss dabei berücksichtigt werden, dass die Effektivität eines Initiators durch einen Deaktivierungsmechanismus limitiert ist. Ein aktiver Fotoinitiator kann nicht nur eine Polymerisationsreaktion starten, sondern sie durch Rekombination mit einem anderen aktiven Fotoinitiator oder Reaktion mit einer aktivierten Polymerkette auch stoppen. Bei einer hohen Lichtintensität wird jeder aktive Fotoinitiator weniger Monomer in das Polymernetz integrieren, d. h., eine höhere Dosis wird notwendig sein, um den gleichen Polymerisationsgrad zu erreichen. Außerdem wird durch die Erhöhung der Lichtintensität während der Polymerisation auch die Temperatur in der Pulpa deutlich erhöht, was negative Konsequenzen mit sich bringen kann. Neuere Studien haben in der Tat bewiesen, dass Berechnungen auf Basis der Dosistheorie nicht allgemein gültig sind und die Besonderheiten einzelner Werkstoffe nicht berücksichtigen können [1]. Trotz dieser Beweise werden Bemühungen angestrebt, die Intensität moderner Polymerisationsgeräte kontinuierlich zu erhöhen, und die Behauptung, dass eine ausreichende Polymerisation bei kurzen Belichtungszeiten (5 Sekunden oder weniger) und hohen Belichtungsintensitäten erreicht werden könne, hält sich weiterhin hartnäckig. Ein weiterer wichtiger Aspekt, der häufig ignoriert wird, ist die Verringerung der Lichtintensität mit der Entfernung von der Kompositoberfläche. Diese Entfernung kann in einer klinischen Situation häufig bis zu 7 mm betragen, wenn Höcker oder ungünstige Zugangsbedingungen vorkommen. Der Verlust der Lichtintensität bei dieser Entfernung kann deutlich größer als 50 % der initialen Lichtintensität der Lampe ausfallen. Deshalb ist es wichtig, nicht nur zu wissen, wie leistungsstark eine Polymerisationslampe ist, sondern vielmehr, wie viel Licht tatsächlich die Oberfläche einer Füllung erreicht.

Das Ziel dieser Studie war es daher, die Effizienz verschiedener Belichtungsprotokolle auf die Polymerisationsgüte von vier niedrigviskosen und drei hochviskosen Bulk-Fill-Kompositen zu untersuchen. Hierfür wurde die „Dosis“ (= Energiedichte) in einem breiten Intervall – zwischen 2,63 und 47,03 J/cm² – durch Variation der Belichtungsprogramme, Belichtungszeiten und Abstand zwischen Lampe und Prüfkörperoberfläche (= Belichtungsabstand) eingestellt. Darüber hinaus sollte die Studie für alle so entstandenen 16 Belichtungsprotokolle die Inkrementstärke (= Kompositdicke, die in einer Schicht polymerisiert werden kann) sowie den Grenzbereich der Energiedichte genau ermitteln, der für eine ausreichende Polymerisation jeder der 7 untersuchten Werkstoffe notwendig ist.

Die getesteten Nullhypothesen waren wie folgt:

  1. Die Wirkung der Polymerisationsbedingungen ist bei allen Werkstoffen gleich.
  2. Es gibt keinen Unterschied innerhalb eines Werkstoffes zwischen den Polymerisationsbedingungen.
  3. Es gibt keinen Unterschied in den mechanischen Eigenschaften und der Inkrementstärke innerhalb der analysierten Werkstoffe.

Material und Methode

Drei hochviskose und vier niedrigviskose Bulk-Fill-Komposite wurden anhand der Variation der mikromechanischen Eigenschaften (Vickershärte, HV und Indentierung-Modulus, E) als Funktion der Tiefe, Belichtungsprogramm, -abstand (0 und 7 mm) und -zeit untersucht (Tab. 1).

  • Tab. 1: Materialien, Hersteller, chemische Zusammensetzung der Matrix und der Füllstoffe sowie Füllstoffgehalt in Gewichts- (Gw.) und Volumenprozent (Vol.). Abkürzungen: Bis-EMA = ethoxyliertes Bisphenol-A-Dimethacrylat; Bis-GMA = Bisphenyl-A-Glycidyl-Methacrylat; UDMA = Urethandimethacrylat; TEGDMA = Triethylenglycoldimethacrylat; EBPDMA = etoxyliertes Bisphenol-A-dimethacrylat.
  • Tab. 2: Inkrementstärke als Funktion der Polymerisationsbedingungen und des Materials. Hochgestellte Buchstaben stellen signifikante Untergruppen dar.
  • Tab. 1: Materialien, Hersteller, chemische Zusammensetzung der Matrix und der Füllstoffe sowie Füllstoffgehalt in Gewichts- (Gw.) und Volumenprozent (Vol.). Abkürzungen: Bis-EMA = ethoxyliertes Bisphenol-A-Dimethacrylat; Bis-GMA = Bisphenyl-A-Glycidyl-Methacrylat; UDMA = Urethandimethacrylat; TEGDMA = Triethylenglycoldimethacrylat; EBPDMA = etoxyliertes Bisphenol-A-dimethacrylat.
  • Tab. 2: Inkrementstärke als Funktion der Polymerisationsbedingungen und des Materials. Hochgestellte Buchstaben stellen signifikante Untergruppen dar.

Eine blau-violette (3. Generation) LED-Polymerisationslampe (VALO, Ultradent Products Inc., South Jordan, UT, USA) wurde daher mit unterschiedlichen Belichtungsprogrammen und -zeiten: Standard Power (5, 20 und 40 Sekunden), High Power (3, 4 und 8 Sekunden) und Plasma (3 und 6 Sekunden), sowie zwei Belichtungsabständen (0 und 7 mm, Tab. 2) verwendet. Somit resultierten für jeden der 7 Werkstoffe 16 verschiedene Polymerisationsbedingungen.

Messungen der Lichtintensität und Energiedichte

Die Analyse der Variation der Lichtintensität der eingesetzten Polymerisationslampe (VALO) mit dem Abstand zur Prüfkörperoberfläche wurde in 1-mm-Schritten bis zu einem Abstand von 1 cm mittels eines Spektrometers (USB4000 Spectrometer, Managing Accurate Resin Curing System; Bluelight Analytics Inc., Halifax, Kanada) ermittelt.

Mikromechanische Eigenschaften

Die Variation der mikromechanischen Eigenschaften (HV und E) wurde in 200-?m-Schritten entlang der 6-mm-Prüfkörper (n = 5) nach DIN 50359-1: 1997-10 [6] ermittelt. Um klinische Bedingungen genau zu simulieren, wurde für die Prüfkörperherstellung eine spezielle Matrize mit einem inneren zylindrischen Hohlraum (Höhe 6 mm, Durchmesser 5 mm) verwendet, die aus einem menschlichen Molaren hergestellt war. Die Prüfkörper wurden in destilliertem Wasser nach der Polymerisation für 24 Stunden bei 37 °C gelagert, anschließend unter Wasser in Längsrichtung von 5 auf 2,5 mm Durchmesser mit Diamantschleifpapier (mittlere Korngröße: 20, 13 und 6 ?m) in einem Schleifsystem (EXAKT 400CS; Exakt, Norderstedt) beschliffen. Die Messungen wurden mit einem automatischen Universalhärtemessgerät (Fischerscope H100C, Fischer, Sindelfingen), ausgehend von 100 ?m unter der Oberfläche, mit 200-?m-Abständen zwischen den Messpunkten entlang der Tiefe (6 mm) durchgeführt.

Der Prüfvorgang wurde kraftgesteuert durchgeführt und die Kraft kontinuierlich zwischen 0 mN und 500 mN variiert. Während des Prüfvorgangs wurden die Prüfkraft F und die Eindringtiefe h sowohl bei Prüfkraftzunahme als auch -rücknahme gemessen. Da die Geometrie des Vickersdiamanten bekannt war, wurde aus der Eindringtiefe der Universalhärtewert HU = F/A (A = Oberfläche des Eindrucks) berechnet. Die Universalhärte wurde anschließend in Vickershärte mit dem Umrechnungsfaktor (0,0945) umgerechnet. Aus der Steigung der Tangente an die Entlastungskurve bei F = Fmax wurde das elastische Eindringmodul E bestimmt. Die Inkrementstärke bezeichnet im Allgemeinen die Dicke eines Kompositinkrements, das ausreichend auspolymerisiert ist, und wird als die Tiefe ermittelt, in der die Härte mindestens noch 80 % der Oberflächenhärte erreicht. Daher wurden für jeden Prüfkörper (insgesamt 240) die in der Tiefe gemessenen HV-Werte mit dem HV-Wert, der für eine vollständige Polymerisation steht, verglichen und die Tiefe ermittelt, in der die Härte weniger als 80 % des Referenzwertes erreicht hatte. Dieser maximale Härtewert wurde an der Oberfläche einer Prüfkörperreihe bestimmt, die unter besten Polymerisationsbedingungen hergestellt wurde (40 Sekunden Belichtungszeit, kein Belichtungsabstand).

Ergebnisse

Charakterisierung der Polymerisationslampe

Die höchste Lichtintensität wurde für das Programm Plasma ermittelt, während die Programme High Power und Standard Power entlang der gemessenen Abstände zur Prüfkörperoberfläche lediglich 48–53 % und 32–39 % dieses Intensitätsniveaus erreichten. In allen drei Programmen wurde ein ähnliches Muster in der Variation der Lichtintensität mit zunehmender Entfernung zwischen Lampe und der Prüfkörperoberfläche beobachtet. Die Lichtintensität wies ein Maximum in einem 2-mm-Abstand von der Oberfläche des Sensors auf, das bei 1.272 mW/cm² im Standard- Power-, 1.939 mW/cm² im High-Power- und 3.797 mW/cm² im Plasma-Programm identifiziert wurde. Die Lichtintensität, die unter den untersuchten Polymerisationsbedingungen die Prüfkörperoberfläche erreichte, sank von 1.176 mW/cm² (0 mm Abstand) auf 646 mW/cm² (7 mm Abstand) im Standard-Power-, von 1.766 auf 875 mW/cm² im High-Power- und von 3.416 auf 1,750 mW/cm² im Plasma-Programm (Abb. 1a u. b). Die spektrale Verteilung zeigt in jedem Programm zwei Peaks, gemessen bei 457 und 400 nm [7], was die eingesetzte Lampe als eine blau-violette LEDLampe identifiziert.

  • Abb. 1a: Variation der Irradianz mit dem Abstand für die drei untersuchten Programme der Polymerisationslampe VALO (n = 3).
  • Abb. 1b: Emissionsspektrum der blau-violetten LED VALO.
  • Abb. 1a: Variation der Irradianz mit dem Abstand für die drei untersuchten Programme der Polymerisationslampe VALO (n = 3).
  • Abb. 1b: Emissionsspektrum der blau-violetten LED VALO.

Hochviskose Bulk-Fill-Komposite [8]

Der Effekt des Parameters Werkstoff war auf alle gemessenen Eigenschaften signifikant (p < 0,05; partielles Eta-Quadrat ?P² = 0,492 für E, 0,562 für HV und 0,087 für die Inkrementstärke). Innerhalb eines Werkstoffes übten die Parameter Energiedichte (von 2,63 bis 47,03 J/cm²; Tab. 2), Belichtungsabstand (0 und 7 mm) und Belichtungsprogramm einen stärkeren Einfluss auf die Inkrementstärke als auf HV und E aus (p < 0,05, ?P²-Werte sind in der Publikation [8] aufgeführt). Von den oben erwähnten Parametern war die Energiedichte der wichtigste Einflussparameter, wohingegen der Belichtungsabstand lediglich auf die Inkrementstärke einen starken Einfluss ausübte, was jedoch schwach auf E und sogar nicht signifikant auf HV (p > 0,05) war.

Eine genaue statistische Evaluation der Parameter HV und E werden in ausgewählten Tiefen (0, 2, 4 und 6 mm) als Funktion der 16 Polymerisationsbedingungen und Werkstoffe in der Publikation [8] zusammengefasst. Die Analyse dieser Daten zeigt, dass innerhalb eines Werkstoffes eine geringe Varianz in den HV- und E-Werten bis in eine Tiefe von 2 mm vorhanden ist, während die verschiedenen Polymerisationsbedingungen sich in tieferen Schichten unterschiedlich auswirken. Die Empfindlichkeit für Variationen der Belichtungsbedingungen erwies sich als werkstoffabhängig. Für eine vom Hersteller zugelassene Inkrementstärke von 4 mm für Bulk-Fill-Komposite waren für Sonic Fill (Kerr) lediglich 3 der 16 Polymerisationsbedingungen (0 mm Belichtungsabstand, Standard Power, 20 und 40 Sekunden Belichtungszeit sowie 7 mm Belichtungsabstand, Standard Power, 40 Sekunden) geeignet. Dies würde bedeuten, dass für die Applikation dieses Materials in einem 4-mm-Inkrement (in „Bulk“) eine Mindestenergiedichte von 23,51 J/cm² notwendig wäre. Dieser Wert verringert sich auf 7,0 J/cm² für x-tra fil (Voco) und auf 5,88 J/cm² für Tetric EvoCeram Bulk Fill (Ivoclar Vivadent).

Da die Energiedichte das Produkt von Belichtungszeit und Lichtintensität darstellt, stellt sich die Frage, ob für eine gegebene Energiedichte eine hohe Lichtintensität bei einer kurzen Belichtung und eine geringere Lichtintensität bei einer verlängerten Belichtung sich gleich auf die Eigenschaften der Materialien auswirken (Reziprozität des Energiedichtegesetzes). Der Nachweis kann in der vorliegenden Studie für folgende Polymerisationsbedingungen angeboten werden:

  • Eine Energiedichte von ca. 7,0 J/cm², die sich aus einer 4-Sekunden-Belichtung im High-Power-Programm bei 0 mm Belichtungsabstand oder aus einer 8-Sekunden- Belichtungszeit im High-Power-Programm bei 7 mm Belichtungsabstand zusammensetzt
  • Eine Energiedichte von 10,25 J/cm² (3 Sekunden Plasma/ 0 mm Abstand oder 6 Sekunden Plasma/7 mm Abstand)

  • Abb. 2 a und b: Verifikation der Reziprozität des Energiedichtegesetzes für zwei gegebene Energiedichten a) 7 J/cm² und b) 10 J/cm².

  • Abb. 2 a und b: Verifikation der Reziprozität des Energiedichtegesetzes für zwei gegebene Energiedichten a) 7 J/cm² und b) 10 J/cm².
In beiden Situationen konnte bewiesen werden, dass eine kürzere Belichtung mit einer höheren Belichtungsintensität, verglichen mit einer längeren Belichtung mit niedriger Belichtungsintensität, zu deutlich geringeren Inkrementstärken führt (Abb. 2a u. b).

Die signifikant höchsten mechanischen Eigenschaften wurden in Tiefen größer als 2 mm durch eine Polymerisation von 20 und 40 Sekunden (Standard-Power-Programm) für beide Belichtungsabstände (0 und 7 mm) erreicht. Vereinzelt waren die oben genannten Polymerisationsbedingungen äquivalent zu einer Belichtung von 8 Sekunden (High-Power-Programm) oder 6 Sekunden Belichtung (Plasma). Kürzere Polymerisationszeiten (5 Sekunden Standard-Power-Programm, 3–4 Sekunden High-Power-Programm und 3 Sekunden Plasma- Programm) verursachten geringere mechanischen Eigenschaften, überwiegend deutlich in niedrigeren Inkrementstärken.

Niedrigviskose Bulk-Fill-Komposite [9]

Ähnlich wie bei den hochviskosen Bulk-Fill-Kompositen ist auch hierfür der Effekt des Parameters Werkstoff auf alle gemessenen Eigenschaften signifikant (p < 0,05, partielles Eta-Quadrat ?P² = 0,683 für E, 0,724 für HV und 0,199 für die Inkrementstärken). Der am stärksten von den Polymerisationsbedingungen beeinflusste Parameter war auch hier die Inkrementstärke, während der Parameter mit dem höchsten Einfluss die Energiedichte war.

Es ist weiterhin erwähnenswert, dass die Parameter Energiedichte, Belichtungsabstand und Programm einen starken Einfluss auf die Werkstoffe Venus Bulk Fill (Heraeus Kulzer) und x-tra base (Voco), einen nur moderaten auf Filtek Bulk Fill (3M Espe) und einen schwachen auf SDR (Dentsply) ausübten. Die Inkrementstärke war außerdem in Filtek Bulk Fill und SDR signifikant höher als in Venus Bulk Fill, während die geringsten Werte für x-tra base gemessen wurden. Ähnlich wie für die hochviskosen Bulk-Fill-Komposite waren auch hier, bis in einer Tiefe von 2 mm, wenige Unterschiede zwischen den Belichtungsarten zu verzeichnen.

Die berechnete Mindestenergiedichte für eine Applikation der Werkstoffe in „Bulk“ (4 mm Inkrement) lag bei 3,23 J/cm² für SDR, 5,30 J/cm² für Filtek Bulk Fill, 7,00 J/cm² für Venus Bulk Fill und 10,50 J/cm² für x-tra base. Konstante mechanische Eigenschaften in der Tiefe wurden jedoch auch hier nur für Energiedichten von 23,51 J/cm² und 47,03 J/cm² erreicht. Da zwischen diesen beiden Polymerisationsbedingungen in keinem der untersuchten Werkstoffe ein signifikanter Unterschied festzustellen war, kann hierfür eine Eingrenzung der Energiedichte für niedrigviskose Bulk-Fill-Komposite auf maximal 23,51 J/cm² festgehalten werden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die maximale Härte, die nicht an der Oberfläche, sondern unter der Oberfläche der Prüfkörperkörper erreicht wurde, und zwar in Tiefen, die zwischen 0,4 mm bis 3,1 mm variieren. Die maximale Härte wurde für längere Belichtungszeiten in tieferen Schichten erreicht, während diese Tiefe signifikant höher in SDR verglichen mit Filtek Bulk Fill (p = 0,004) und statistisch gleich in den anderen untersuchten Werkstoffen (p > 0,05) war.

Diskussion

Es konnte bislang in In-vitro-Studien bewiesen werden, dass die Konversionsrate und die mechanischen Eigenschaften von Bulk-Fill-Kompositen bei einer ausreichenden Polymerisation bis in 4 oder 5 mm Tiefen konstant bleiben können [10]. Klinische Polymerisationsbedingungen unterscheiden sich jedoch oft von standardisierten Belichtungsbedingungen im Forschungslabor. Daher simulierte die vorliegende Studie verschiedene Polymerisationsbedingungen, die von einer sehr schwachen (Energiedichte 2,63 J/cm²) bis zu einer starken (Energiedichte 47,03 J/cm²) Polymerisation reichen.

In den untersuchten hochviskosen Bulk-Fill-Kompositen wurden für die Verbesserung der Polymerisationstiefe verschiedene Strategien angewendet. Während in Tetric Evo-Ceram Bulk-Fill ein zusätzliches Initiatorsystem eingebaut wurde, während das Füllkörpersystem sich wenig vom herkömmlichen Nanohybrid-Komposit Tetric EvoCeram unterscheidet, wurden in x-tra fil und Sonic Fill hauptsächlich die Füllkörper, genau genommen die Füllkörpergröße, verändert [11].

Der anorganische Füllkörperanteil spiegelte sich direkt in den gemessenen mechanischen Eigenschaften wider, da im höchstgefüllten Komposit x-tra fil auch die höchsten mechanischen Eigenschaften gemessen wurden. Gleichzeitig wurde ebenfalls, wenn auch unerwartet, die höchste Inkrementstärke bei einer bestimmten Polymerisationsbedingung in diesem Werkstoff beobachtet. Dies steht jedoch in Übereinstimmung mit Messungen der Lichttransmission (360–540 nm Wellenlänge) durch Prüfkörper unterschiedlicher Dicke (2, 4 und 6 mm), die in x-tra fil eine höhere Transluzenz verglichen mit Tetric EvoCeram Bulk-Fill aufwiesen. Die Menge an Licht, die durch Sonic-Fill-Prüfkörper übertragen wurde, war die niedrigste unter den Bulk-Fill-Kompositen und eher vergleichbar mit regelmäßigen Nano- und Mikrohybrid- Kompositen [12]. Die Erklärung für die hohe Lichtdurchlässigkeit in x-tra fil trotz hohem Füllstoffgehalt muss in den vergrößerten Füllern und einer potenziell verbesserten optischen Anpassung zwischen den Brechungsindizes der Füllkörper und der Polymermatrix gesucht werden [13,14]. Im Wesentlichen bestimmt Letzteres, wie das Licht in einem Werkstoff gestreut wird [15]. Einen ähnlichen Brechungsindex der Komponenten eines Komposites verbessert die Transluzenz, wie bereits für Bisphenol-A-dimethacrylat- und Siliciumdioxid- Füllkörper in experimentellen Werkstoffen bewiesen wurde [16].

Um eine verbesserte Polymerisation in der Tiefe in Tetric EvoCeram Bulk-Fill zu ermöglichen, bei geringen Veränderungen in der Transluzenz, wurde ein zusätzliches Initiatorsystem – Ivocerin – beigemengt. Ivocerin wird als ein Germanium- Initiator mit einer höheren Aktivität als CQ beschrieben. Dies hängt damit zusammen, dass eine höhere Absorption im Bereich zwischen 400 und 450 nm festgestellt wurde. Darüber hinaus kann der Initiator ohne Zusatz eines Amins als Koinitiator angewandt werden und bildet zumindest zwei Radikale, die eine radikalische Polymerisation initiieren können, was im Vergleich zu CQ/Amin-Systemen, die nur ein Radikal abspalten, deutlich effizienter ist [17].

Die Mindestenergiedichte, die in dieser Studie für eine ausreichende Polymerisation eines 4-mm-Inkrementes berechnet wurde, war niedriger in Tetric EvoCeram Bulk-Fill (5,88 J/cm²) als in x-tra fil (7,0 J/cm²). Der Vorteil von x-tra fil in Bezug auf eine bessere Lichtdurchlässigkeit in der Tiefe im Vergleich zu Tetric EvoCeram Bulk-Fill ist somit durch den zusätzlichen Initiator aufgehoben worden.

Die geringe Lichtdurchlässigkeit der Sonic-Fill-Prüfkörper spiegelt sich auch deutlich in der höheren Energiedichte (23,51 J/cm²), die für die Polymerisation des Werkstoffes in einem 4-mm-Inkrement notwendig ist. Es muss hier jedoch angemerkt werden, dass Sonic Fill als einziges Bulk-Fill- Komposit auf dem Markt für Inkrementdicken von 5 mm zugelassen ist. Unter den untersuchten Polymerisationsbedingungen wurde diese Inkrementdicke jedoch bei nur einer der 16 untersuchten Belichtungen erreicht, und zwar für die höchste Energiedichte (47,03 J/cm²). Diese setzt sich aus einer 40 Sekunden Belichtungszeit im Standard-Power-Programm und einem Belichtungsabstand von 0 mm zusammen. Das Emissionsspektrum der in der vorliegenden Studie eingesetzten blau-violetten LED-Lampe (VALO, Ultradent) ist auf das Absorptionsspektrum von Ivocerin (400 und 450 nm) bestens abgestimmt. Im Vergleich dazu gibt es bei den blauen LED-Lampen lediglich eine geringe Überschneidung des Emissionsspektrums der Lampe mit dem Absorptionsspektrum von Ivocerin. Daten, gemessen mit der gleichen Methode für Tetric EvoCeram Bulk-Fill polymerisiert mit einer blauen LED-Lampe (Freelight 2, 3M Espe; 1.703 m/cm²), berichten jedoch über Inkremetstärken deutlich größer als 4 mm [4]. Obwohl ein direkter Vergleich der Effizienz der beiden Polymerisationslampen nicht möglich ist, da Unterschiede in der Irradianz und Wärmeabwicklung vorhanden sind, ist kein klarer Vorteil der blau-violetten LED-Polymerisationslampen zu erkennen. So scheinen die geringe Überlappung zwischen dem Absorptionsspektrum von Ivocerin und dem Emissionsspektrum der blauen LED ausreichend für die Initiierung des Ivocerins zu sein. Somit können die Aussagen dieser Studie nicht auf die Nutzung einer blauvioletten LED-Lampe beschränkt werden.

Die vorliegende Studie zeigt auch, dass für eine gegebene Energiedichte eine kürzere Belichtungszeit mit höherer Lichtintensität sich in deutlich niedrigeren Inkrementstärken auswirkt als eine längere Belichtungszeit mit geringerer Lichtintensität, und bestätigt somit Daten, die für herkömmliche Komposite gemessen wurden. Diese zeigen, dass Berechnungen auf der Grundlage der Energiedichte alleine ungültig sind und das individuelle Produktverhalten nicht berücksichtigen können [1]. Darüber hinaus verursachten Kurzzeitbelichtungsprogramme (Standard Power 5 Sekunden, High Power 3 bis 4 Sekunden und Plasma 3 Sekunden) geringere mechanische Eigenschaften in der Tiefe und geringere Inkrementstärken.

Die Lichtdurchlässigkeit nimmt mit zunehmender Prüfkörperdicke ab, jedoch im Allgemeinen bei der Polymerisation von Monomeren zu Polymeren zu [12]. Das bedeutet nichts anderes, als dass Komposite während der Polymerisation immer transluzenter werden. Somit kommt bei längeren Belichtungszeiten mehr Licht in tieferen Schichten an als zu Beginn der Belichtung, was die Defizite einer kurzen Belichtung erklärt (Abb. 3–5).

  • Abb. 3: Fünf kleine, aber zum Teil tiefe Kavitäten bei einem motorisch sehr unruhigen Patienten. Um eine kurze Kofferdamverweildauer zu realisieren, fiel die Entscheidung auf ein Bulk-Fill-Material. (© Prof. Dr. C.-P. Ernst, Mainz)
  • Abb. 4: Mit Sonic Fill aufgefüllte Kavitäten. Ein zeitaufwendigeres Schichten hätte der Patient unter Kofferdam nicht toleriert. (© Prof. Dr. C.-P. Ernst, Mainz)
  • Abb. 3: Fünf kleine, aber zum Teil tiefe Kavitäten bei einem motorisch sehr unruhigen Patienten. Um eine kurze Kofferdamverweildauer zu realisieren, fiel die Entscheidung auf ein Bulk-Fill-Material. (© Prof. Dr. C.-P. Ernst, Mainz)
  • Abb. 4: Mit Sonic Fill aufgefüllte Kavitäten. Ein zeitaufwendigeres Schichten hätte der Patient unter Kofferdam nicht toleriert. (© Prof. Dr. C.-P. Ernst, Mainz)

  • Abb. 5: Die fertigen Bulk-Fill-Restaurationen. Der Vorteil der Zeitersparnis liegt in erster Linie in der Reduktion des kritischen Kontaminationsgefahr-Zeitfensters während der Füllungstherapie. (© Prof. Dr. C.-P. Ernst, Mainz)
  • Abb. 5: Die fertigen Bulk-Fill-Restaurationen. Der Vorteil der Zeitersparnis liegt in erster Linie in der Reduktion des kritischen Kontaminationsgefahr-Zeitfensters während der Füllungstherapie. (© Prof. Dr. C.-P. Ernst, Mainz)

Die vorliegende Studie zeigte, dass die Inkrementstärke der empfindlichste Parameter für die Beschreibung der Effizienz der Polymerisation ist und sie von der Energiedichte am stärksten beeinflusst wird. Dennoch ist es fraglich, ob eine 20%ige Härteabnahme bezogen auf die Prüfkörperoberfläche als eine ausreichende Polymerisation für tiefere Schichten betrachtet werden darf. Eine 20 %-Abnahme der Härte ist mit einer Abnahme der Konversionsrate verbunden.

Somit ist die Wahrscheinlichkeit, unreagierte Monomere in dieser Tiefe anzutreffen, durchaus gegeben. Auch wenn eine minimale Energiedichte für eine Applikation der getesteten Komposite in 4-mm-Inkrementen berechnet werden konnte, wurden für HV und E für viele Polymerisationsbedingungen signifikante Unterschiede in der Tiefe im Vergleich zu den oberen 2-mm-Schichten berechnet. Keine Variation der mechanischen Eigenschaften mit der Tiefe wurde nur dann beobachtet, wenn die Prüfkörper von Tetric EvoCeram Bulk-Fill und x-tra fil für 20 Sekunden (23,51 J/cm²) oder 40 Sekunden (47,03 J/cm²) belichtet wurden, während für Sonic Fill eine noch längere Energiedichte in Anspruch genommen wurde (Energiedichte > 47,03 J/cm²).

Im Vergleich zu herkömmlichen Nano- und Mikrohybrid-Kompositen werden hingegen niedrigviskose Bulk-Fill-Komposite durch einen geringeren Füllstoffanteil [11], größere Füllkörper und bessere Transluzenzen [12] charakterisiert. Wie in einer aktuellen Studie gezeigt, variiert die Lichtdurchlässigkeit der untersuchten niedrigviskosen Bulk-Fill-Komposite in der Reihenfolge Filtek Bulk Fill, x-tra base, SDR und Venus Bulk Fill, unabhängig von der Probengeometrie (2, 4 und 6 mm) [12]. Dieses Ranking in der Transluzenz steht jedoch nicht im Einklang mit dem Füllstoffanteil oder der gemessenen Inkrementstärke, was darauf hindeutet, dass neben einer verbesserten Transluzenz auch die organische Matrix der Werkstoffe einen Einfluss auf die Polymerisationstiefe haben muss.

Neben Veränderungen in der Größe und Menge der Füllkörper kann eine erhöhte Durchhärtetiefe auch durch Monomere mit höherem Molekulargewicht erreicht werden, da eine niedrigere Abnahme der Konversionsrate mit zunehmender Dicke im Vergleich zur herkömmlichen BisGMAbasierten Kompositen nachgewiesen wurde [18]. Diese Überlegung scheint im Material SDR verfolgt zu werden, da die organische Matrix durch die Aufnahme eines patentierten Urethandimethacrylats (UDMA) mit eingebauter photoaktiver Gruppe, die fähig ist, die Polymerisationskinetik zu steuern [19], geändert wurde. Eine weitere Besonderheit des SDR-Komposites im Vergleich zu den anderen drei analysierten Materialien ist der Gehalt an Triethylenglykoldimethacrylat (TEGDMA). Mit der Beimengung von TEGDMA konnten die Viskosität verringert [20], ein homogenes Kopolymer-Netzwerk gebildet und die Polymerisationsschrumpfung verringert werden [21]. In zwei der untersuchten Werkstoffe – SDR und Venus Bulk Fill – wurde das Basismonomer Bis-GMA vollständig durch weniger viskose Dimethacrylate, wie Urethandimethacrylat (UDMA), TEGDMA oder ethoxyliertes Bisphenol-A-dimethacrylat (EBPDMA), ersetzt [22,23]. Diese sind in der Lage, flexiblere Polymere als Bis-GMA zu bilden [24,25]. Abgesehen davon ist das Bis-GMA-Monomer hydrophiler [26] und birgt somit ein höheres Risiko für erhöhte Wasseraufnahme und Degradation als das hydrophobere EBPDMA-Monomer [27].

Diese Besonderheiten in der chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe werden in ihrem Polymerisationsverhalten in der Tiefe und somit in der Inkrementstärke reflektiert. Die vorliegende Studie zeigte, dass der empfindlichste Parameter in der Beschreibung der Effizienz der Polymerisation die Inkrementstärke war, die von der Energiedichte am stärksten beeinflusst wurde. Dieser Einfluss auf die Inkrementstärke war jedoch geringer in SDR (p < 0,05, ?P² = 0,682), was den Werkstoff robuster für Variationen der Polymerisationsbedingungen macht, da lediglich eine der 16 Belichtungsarten (7 mm Belichtungsabstand und 3 Sekunkunden Belichtung im High-Power-Programm) eine Inkrementstärke kleiner als 4 mm verursachte. Dies würde einer Mindest-Energiedichte von 3,23 J/cm² für eine Bulkpolymerisation entsprechen. Dieser Wert erhöht sich auf 5,30 J/cm² für Filtek Bulk Fill, auf 7,00 J/cm² für Venus Bulk Fill und auf 10,50 J/cm² für x-tra base. Jedoch wurden, wie bei den hochviskosen Bulk-Fill-Kompositen auch, signifikante Unterschiede in HV und E in Tiefen größer als 2 mm als Funktion der Belichtungsart festgestellt. Auch muss angemerkt werden, dass die höchsten mechanischen Eigenschaften nicht an der Prüfkörperoberfläche, sondern in tieferen Schichten erreicht werden. Dieser Effekt war für beide Belichtungsabstände 0 und 7 mm deutlich und kann somit nicht auf die Besonderheit der Polymerisationslampe zurückgeführt werden, die ein Leistungsmaximum in einem Belichtungsabstand von 2 mm aufweist. Dies ist jedoch keine Partikularität der Bulk-Fill- Komposite und wurde bislang auch in herkömmlichen Kompositen beobachtet, besonders in niedrig gefüllten Werkstoffen [10]. Dieser Effekt kann als Folge der Polymerisationsschrumpfung in Richtung der Mitte einer Restauration in nicht gebundenen Kompositen erklärt werden [28,29] oder aber auch durch eine verbesserte Tiefenpolymerisation, die von der Oberfläche thermisch isoliert ist und somit vom Temperaturanstieg, verursacht durch die exothermen Polymerisationsreaktion, profitieren kann. Die Reziprozität des Energiedichtegesetzes wird auch in den niedrigviskosen Bulk-Fill-Kompositen nicht erfüllt, da sich bei einer konstanten Energiedichte eine verlängerte Polymerisationszeit positiv auf die Inkrementstärke auswirkt.

Unter Berücksichtigung aller untersuchten niedrigviskosen Bulk-Fill-Komposite wurden konstante mechanische Eigenschaften in der Tiefe nur dann beobachtet, wenn die Komposite einer Energiedichte von 23,51 J/cm² (20 Sekunden, Standard-Programm) oder 47,03 J/cm² (40 Sekunden, Standard-Programm) ausgesetzt wurden. Die Auswirkung der beiden Polymerisationsbedingungen auf HV, E und Inkrementstärke war statistisch gesehen gleich. Dies lässt die Aussage zu, dass für niedrigviskose Bulk-Fill-Komposite eine obere Energiedichtegrenze angegeben werden kann, oberhalb der keine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften mehr möglich ist und eine zusätzliche Polymerisation unnötig ist. Eine Energiedichte von 23,51 J/cm² könnte somit für alle analysierten Werkstoffe als ausreichend für eine adäquate Polymerisation in Tiefen von 4–5 mm anerkannt werden. Da die Energiedichte, die notwendig ist, um ein 2-mm-Inkrement eines herkömmlichen Komposites adäquat zu polymerisieren, in derselben Größenordnung liegt (24 J/cm²) [5], kann eine verkürzte Zeit für die Applikation eines niedrigviskosen Bulk-Fill-Komposites in 4-mm-Schichten bestätigt werden.

  • Tab. 3: Energiedichtebereich für eine adäquate Polymerisation.

  • Tab. 3: Energiedichtebereich für eine adäquate Polymerisation.
Tabelle 3 fasst die Energiedichtegrenze – minimale und maximale Energiedichte – für eine adäquate Polymerisation der untersuchten Werkstoffe zusammen. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass es sich hier nicht um die Energiedichte handelt, die aus einer Polymerisationslampe ausgestrahlt wird, sondern um die Energiedichte, die tatsächlich an der Füllungsoberfläche ankommt. Die für diese Studie angefertigten 6-mm-Prüfkörper wurden in einer Matrize hergestellt, die aus einem Molaren angefertigt war und direkt auf einem Spektrometer platziert wurde. Somit wurde auch die Menge an Blaulicht aufgezeichnet, die während der Polymerisation durch die 6-mm-Prüfkörper durchscheint. Die Energiedichte am unteren Rand der Prüfkörper war sehr gering, sogar nicht messbar für Sonic Fill, jedoch sanken die gemessenen mikromechanischen Eigenschaften in 6 mm Tiefe nie auf Null. Der Grund dafür ist, dass die Polymerisation in einer bestimmten Tiefe nicht nur von der Menge der Photonen, die diese Tiefe erreichen, abhängig ist, sondern auch von der Polymerisationsreaktion, die bereits in anderen (höheren) Schichten eingeleitet wurde und sich in die Tiefe ausbreitet.

Schlussfolgerung

Die Anfälligkeit für Variationen in der Energiedichte unter simulierten klinischen Bedingungen war sowohl in den hoch- als auch in den niedrigviskosen Bulk-Fill-Kompositen werkstoffabhängig. Ein klarer Unterschied zwischen hoch- und niedrigviskosen Bulk-Fill-Kompositen in Bezug auf die notwendige Energiedichte für eine adäquate Polymerisation ist nicht feststellbar. Werkstoffe, die Monomere mit höherem Molekulargewicht enthalten, reagieren weniger empfindlich auf die Polymerisationsbedingungen im Vergleich zu herkömmlich formulierten Kompositen. Generell wurde ein Anstieg der Inkrementstärke mit der Energiedichte in allen Werkstoffen beobachtet. Es konnte zwar für jeden Werkstoff eine minimale Energiedichte bestimmt werden, konstante mechanische Eigenschaften in Tiefen von 4–5 mm wurden jedoch erst bei Energiedichten von 23,51 J/cm² erreicht. Eine weitere Erhöhung der Energiedichte schien nicht mehr notwendig zu sein, da keine weitere Verbesserung der Eigenschaften erreicht wurde. Die Ausnahme ist Sonic Fill, das die geringsten Inkrementstärken aufwies und lediglich für eine Energiedichte von 47,03 J/cm² die vorgegebene Inkrementstärke von 5 mm erreichen konnte.

Im Rahmen dieser Untersuchung erscheint somit eine Energiedichte von 23,51 J/cm² bei moderater Lichtintensität (1.176 mW/cm²) eine gute Balance zwischen konstanten mechanischen Eigenschaften bis in 4 bis 5 mm Tiefe und einer angemessenen Polymerisationszeit (20 Sekunden) für alle untersuchten Werkstoffe zu sein. Für Sonic Fill wird eine Polymerisationszeit von 40 Sekunden unter gleichen Bedingungen empfohlen. Alle Nullhypothesen werden daher verworfen.

Die Autoren: Nicoleta Ilie1 und Bogna Stawarczyk2

 

1Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie, Ludwig-Maximilians-Universität, München

2Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Ludwig-Maximilians-Universität, München

Bilder soweit nicht anders deklariert: Prof. Dr. Dipl. Ing. Nicoleta Ilie , Dr. Dipl. Ing. Bogna Stawarczyk