Moderne CAD/CAM-Kompositmaterialien – deren Materialeigenschaften und Befestigungsstrategien

CAD/CAM-Werkstoffe auf Kompositbasis werden bislang als „Verbund- oder Hybridkeramik“ vermarktet, um ihre Langlebigkeit zu betonen. Dabei weist die neueste Generation von Reinforced-Composite-Blöcken ausgezeichnete Materialeigenschaften auf, die einer klassischen Keramik teilweise sogar überlegen sind. Vergleichende Studien liefern interessante Erkenntnisse zu Biegefestigkeit und Abrasionsbeständigkeit der innovativen Restaurationsmaterialien.

Die digitale Produktion hält vermehrt Einzug in die Herstellung dentaler Restaurationen, die mittels eines digitalen Datensatzes aus Substanz formgeschliffen werden. Inzwischen sind zahlreiche Systeme auf dem Markt, die mithilfe direkter digitaler Abformung im Mund bzw. der Digitalisierung einer Abformung oder eines Zahnmodells – mit anschließender computergestützter Modellierung – die Form der Restauration generieren. Wichtige Wegbereiter dieser Technik waren neben anderen Duret und Mörmann/Brandestini [1]. Während Duret Materialien aus faserverstärktem Komposit favorisierte, entschied sich Mörmann für keramische Materialien. Das CAD/CAM-System von Mörmann setzte sich als „Cerec“ im Markt durch. Im Laufe der Zeit wurden die CAD/CAM-Keramikblöcke optimiert und werden heutzutage in zwei Materialkategorien unterteilt: erstens Feldspat- oder Leuzitkeramiken, die nach dem Schleifvorgang der Restauration nicht zwingend gebrannt werden müssen, zweitens Lithiumdisilikat- oder Zirkonoxidkeramiken, die nach dem Schleifprozess einem Brennvorgang unterzogen werden müssen [2]. Neben ihrer guten Ästhetik und Abrasionsresistenz haben keramische Materialien aber auch Nachteile. Dazu zählen zum Beispiel ein relativ hohes E-Modul, die Neigung zum Chipping oder die Abrasion des Antagonisten. Außerdem ist es aufwendig, Keramiken im Mund zu modifizieren oder zu reparieren. Daher lag es nahe, neben lichthärtenden Kompositen für permanente Restaurationen auch Kompositwerkstoffe für den Einsatz im CAD/CAM-Verfahren bereitzustellen. Im Vergleich zu lichthärtenden Kompositen können CAD/CAM-Kompositmaterialien industriell gefertigt werden. Unter diesen Fertigungsbedingungen werden sehr gute mechanische Eigenschaften generiert. Ein erstes Produkt dieser Art brachte die Firma 3M Espe unter dem Namen Paradigm auf den Markt, gefolgt von Lava Ultimate sowie Cerasmart (GC) und Shofu Block HC (Shofu). Der Schweizer Dentalspezialist COLTENE stellt aktuell mit BRILLIANT Crios ein neuartiges CAD/CAM-Kompositmaterial vor, welches gezielt auf den leistungsfähigen und vielseitigen Werkstoff setzt.

Komposit oder Hybridkeramik?

Als Komposit bezeichnet man allgemein ein Material, welches aus zwei oder mehr unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzt ist, die miteinander verbunden sind. CAD/CAM-Komposite bestehen aus einer Matrix von polymerisierten Methacrylaten, die produktabhängig unterschiedliche Füller (Glas oder Keramik) enthalten. Obwohl es sich bezüglich des Materialaufbaus um Komposit handelt, vermarkten einige Firmen ihre Produkte aufgrund der Verwendung keramischer Füller als Hybridkeramiken:

• Verbundkeramik auf Basis der Resin-Nanokeramik-Technologie (Lava Ultimate) [3]
• CAD/CAM-Block aus Hybridkeramik (Cerasmart) [4]
• hochästhetischer auf Keramik basierender Werkstoff (Shofu Block HC) [5]

Ein weiteres CAD/CAM-Block-Material, Vita Enamic (Vita Zahnfabrik), unterscheidet sich sowohl von keramischen Materialien als auch von Kompositen. Hierbei handelt es sich um eine polymerinfiltrierte poröse Keramik, die u. a. für minimalinvasive Rekonstruktionen sowie Seitenzahnkronen geeignet ist [7]. Laut Herstellerangaben ist Lava Ultimate für Inlays, Onlays und Veneers indiziert [3]. Die CAD/CAMKompositblock- Materialien BRILLIANT Crios, Cerasmart und Shofu Block HC sind darüber hinaus auch für Einzelkronen freigegeben [4–6].

Komposite dürfen nicht mit rein keramischen CAD/CAMMaterialien verwechselt oder wie diese behandelt werden. Kompositwerkstoffe dürfen zum Beispiel nicht gebrannt werden. Dadurch verkürzt sich der Verarbeitungsprozess deutlich. Darüber hinaus wird die adhäsive Befestigung an Komposite angepasst. Analog zu lichthärtenden Füllungsmaterialien können kompositbasierte CAD/CAM-Materialien einfach modifiziert und poliert werden. Ebenso ist eine Reparatur im Mund leicht durchführbar. Generell ist die Befestigungsstrategie von CAD/CAM hergestellten Restaurationen ausschlaggebend für den Erfolg der Behandlung.

Materialeigenschaften

CAD/CAM-Kompositmaterialien besitzen im Vergleich zu Keramiken ein relativ niedriges E-Modul, welches dem E-Modul von Dentin sehr ähnlich ist. Für Zahnschmelz wird oft ein sehr hohes E-Modul angegeben, dieser verhält sich allerdings anisotrop. Der Grund liegt im Aufbau des Zahnschmelzes aus Schmelzprismen [9–11]. Die Anisotropie ist für die außerordentliche Widerstandskraft von gesundem Zahnschmelz verantwortlich. Dabei ist das E-Modul in Längsrichtung der Schmelzprismen sehr hoch, eine Eigenschaft, die im Falle von Kompositmaterialien durch den Füllstoff generiert wird. Senkrecht auf die Prismen ist das E-Modul vergleichsweise niedrig und verhindert so ein Brechen der Schmelzprismen unter Verformung. Im Falle von Komposit wird diese Eigenschaft durch die polymerisierte Methacrylat-Matrix hervorgerufen (Abb. 1).

Komposite weisen im Vergleich zu Keramik und polymerinfiltrierter Keramik ein niedrigeres E-Modul auf und dämpfen deshalb den Kaudruck deutlich besser. Eine Restauration aus Komposit wird oftmals weniger hart als eine aus Keramik empfunden. Somit wird diese weniger als Fremdkörper wahrgenommen und fördert den „Kaukomfort“ des Patienten. Physikalische Untersuchungen bestätigen, dass CAD/CAMKompositmaterialien sehr gute mechanische Eigenschaften besitzen. Im Vergleich mit einem keramischen Material (im Test: IPS Empress CAD), das nach dem Schleifvorgang nicht mehr gebrannt werden muss, zeigen Lava Ultimate und BRILLIANT Crios eine höhere Biegefestigkeit (Abb. 2).

Erhöhter Füllstoffanteil

Im Gegensatz zu provisorischen CAD/CAM Kunststoffmaterialien weisen CAD/CAM-Komposite für permanente Restaurationen einen höheren Anteil an Füllstoff auf. Dieser ist vor allem für eine verbesserte Abrasionsresistenz (im Vergleich zu niedrig- oder ungefüllten CAD/CAM-Materialien für Provisorien) verantwortlich (Abb. 3). Wird ein entsprechend abrasionsresistenter Füller ausgewählt, lässt sich die Abrasion der Restauration im Mund deutlich reduzieren. Ein geringer Füllstoffanteil bedeutet im Umkehrschluss einen höheren Polymeranteil (polymeres Matrixharz), der wiederum maßgeblich für die Wasseraufnahme verantwortlich ist. Die Wasseraufnahme von BRILLIANT Crios und Cerasmart bewegt sich im Bereich eines modernen lichthärtenden Füllungsmaterials von 15 bis 20 ?g mm-3. Da für die Wasseraufnahme der Polymeranteil des Komposits verantwortlich ist, zeigt Vita Enamic mit höherem Keramikanteil auch eine geringere Wasseraufnahme (Abb. 4).

Performance im Mund

Materialeigenschaften wie Biegefestigkeit, E-Modul, Feststoffgehalt und Wasseraufnahme liefern nur theoretische Hinweise auf die Performance der Restauration im Mund. Wie aber verhalten sich nun diese CAD/CAM-Kompositmaterialien unter Kaubelastung? Es ist bekannt, dass beim Kauen keramische Materialien im Vergleich zu Zahnschmelz zu einer erhöhten Abrasion des Antagonisten führen können. Kompositmaterialien sollten aufgrund ihres geringeren E-Moduls und ihrer Zusammensetzung den Antagonisten weniger abradieren [12]. Interessante Ergebnisse dazu liefert eine Studie [13] zur Abrasion von CAD/CAM-Materialien gegenüber einem Zahnschmelz-Antagonisten (Abb. 5). CAD/CAM-Kompositmaterialien zeigen eine geringere Abrasion des Schmelzantagonisten im Vergleich zu den untersuchten keramischen Materialien und der polymerinfiltrierten Hybridkeramik Vita Enamic. BRILLIANT Crios ist, wie bei Kompositmaterialien üblich, antagonistenschonend und weist trotzdem eine ähnlich geringe Abrasion wie Keramiken auf.

Befestigungsstrategie

Ein entscheidender und wichtiger Faktor bezüglich des Langzeiterfolgs einer Restauration aus einem CAD/CAM-Komposit ist – wie beschrieben – die Befestigungsstrategie. Im Vergleich zu rein keramischen Materialien sind CAD/CAM-Komposite immer adhäsiv zu befestigen [14–22]. Dies bedeutet, dass ein adhäsiver Verbund sowohl zwischen Kompositrestauration und Befestigungsmaterial als auch zwischen Befestigungsmaterial und Zahnsubstanz hergestellt werden muss. Das genaue Vorgehen ist bei jedem CAD/CAM-Komposit unterschiedlich. Nachfolgend wird die Befestigungsstrategie allgemein und im Speziellen am Beispiel von BRILLIANT Crios erläutert. Das Komposit besteht in diesem Fall aus einem Dentalglas und einer Matrix aus polymerisiertem Harz (Methacrylat), wobei die Harzmatrix noch unpolymerisierte Methacrylat-Doppelbindungen aufweist (Abb. 6). Nach der Herstellung der Restauration wird die zu klebende Fläche sandgestrahlt, um die Oberfläche zu vergrößern und mechanische Retentionen zu schaffen. Auf dieser Oberfläche befinden sich Partikel des Dentalglases sowie polymerisierte Harzmatrix. Da Sandstrahlen ein sehr abrasives Verfahren darstellt, ist darauf zu achten, nicht zu viel Substanz abzutragen. Als Strahlmedium wird Korund (25–50 ?m Aluminiumoxid bei 1,5 bar) verwendet; andere Strahlmedien wie Natriumbicarbonat und Glycin-Pulver erscheinen ungeeignet [15]. Die Vorgehensweise ist in der Wirkung vergleichbar der Vorbehandlung durch Korundstrahlen bei Zirkonoxid beziehungsweise Ätzen mit Flusssäure bei Silikatkeramiken. Das Resultat ist in allen Fällen eine Vergrößerung der Oberfläche und die Ausbildung mechanischer Retentionen (Abb. 7).

Optimale Adhäsion zum CAD/CAM-Komposit

CAD/- CAM-Komposite bestehen näherungsweise aus 50 % Füllstoffen und 50 % Harzmatrix, betrachtet man den Volumenanteil. Um einen optimalen Verbund zu gewährleisten, ist Haftung/Adhäsion an beiden Substraten herzustellen. In diesem Verhältnis sind Füllstoff und Harzmatrix nach dem Korundstrahlen auch auf der Oberfläche der CAD/CAMKompositrestauration zu finden.

Adhäsion zu den Füllstoffen

Füllstoffe können Gläser, Glaskeramiken oder Oxidkeramiken sein. Um Adhäsion zu diesen Füllern herzustellen, wird oft ein Silan appliziert (Si-OH und polymerisierbare Doppelbindung in einem Molekül). Vor dem Silanisierungsschritt wird oft noch das Ätzen des Füllstoffes mit Flusssäure (HF) empfohlen, um weitere Retentionen auf der Füllstoffoberfläche zu erzeugen. Flusssäure eignet sich aber nicht für oxidkeramische Füllstoffe. Sind die Füllstoffe sehr klein, kann ein Ätzen mit Flusssäure zum vollständigen Auflösen der sich an der Oberfläche befindenden glasbasierten Füllstoffe führen. Es hat sich allerdings gezeigt, dass der Einsatz von Silan im Fall von BRILLIANT Crios nicht zu einer optimalen Haftung auf der gesamten Oberfläche führt (Abb. 8).

Um einen adhäsiven Verbund zu den Füllern herzustellen, kann man sich auch ionischer Wechselwirkungen, generiert durch Säuregruppen, bedienen. Verbindungen, die Carbonsäuren enthalten, sind zum Beispiel Polyacrylsäurederivate, wie sie in Glasionomerzementen eingesetzt werden, oder 4-MET, welches oft in Bondingmaterialien zu finden ist. MDP, ein ebenfalls häufig in Bondings verwendetes Phosphorsäurederivat, eignet sich besonders gut zur Verbesserung der Haftung an oxidkeramischen Füllern wie Zirkonoxid, ist aber auch für glasbasierte Füllstoffe geeignet. Kombiniert man diese noch mit bifunktionellen Monomeren in einem Material, lässt sich meist ein sehr guter Haftverbund erzielen (Abb. 9).

Adhäsion zu der polymerisierten Harzmatrix

Die Adhäsion zur Polymermatrix der Restauration lässt sich in drei Arten untergliedern: Wasserstoffbrückenbindungen, Entanglements und chemische Bindung.

• Wasserstoffbrückenbindungen

Die Harzmatrix der CAD/CAM-Komposite enthält NH- oder OH-Gruppen. Wenn das Adhäsiv/Bonding ebenfalls NH- oder OH-Gruppen enthält, können sich Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Harzmatrix und Adhäsiv ausbilden. Dies führt zu einer Verbesserung des Verbundes zwischen CAD/CAM-Restauration und Adhäsiv. Ein sehr gutes Beispiel dafür ist Wasser an sich: Eigentlich wäre es bei Raumtemperatur gasförmig, aber aufgrund der gebildeten Wasserstoffbrückenbindungen ist es flüssig.

• Entanglements

Eine weitere Möglichkeit, den Haftverbund zu verbessern, ist die Erzeugung sogenannter Entanglements („Verschlaufungen“). Dabei durchdringen Monomere des Adhäsionsvermittlers die polymerisierte Harzmatrix des CAD/CAMRestaurationsmaterials. Polymerisiert man die eingedrungenen Monomere des Adhäsivs, so bilden sich Ketten innerhalb der Harzmatrix des Restaurationsmaterials, die im Idealfall zu einer „Verschlaufung“ führen. Resultat ist eine mechanische Verbindung, die sich am besten mit dem Vorgang des Strickens vergleichen lässt (Abb. 10).

• Chemische Bindungen

Sind in der polymerisierten Harzmatrix noch unpolymerisierte Doppelbindungen, wie in BRILLIANT Crios, vorhanden, können diese im Idealfall mit den Doppelbindungen eines Adhäsivs eine chemische Bindung bei der Polymerisation des Adhäsivs eingehen. Dazu muss allerdings das Adhäsiv – wie schon bei der Bildung von Entanglements – in der Lage sein, geringfügig in die Oberfläche der CAD/-CAM-Restauration, zu den noch vorhandenen nicht polymerisierten Doppelbindungen, vorzudringen. Eine solche chemische Verbindung ist sehr stabil und die beste Möglichkeit, einen adhäsiven Verbund zu generieren (Abb. 11). Möchte man einen chemischen Verbund erreichen, müssen Restaurationsmaterial und Adhäsiv aufeinander abgestimmt sein, wie z. B. BRILLIANT Crios und ONE COAT 7 UNIVERSAL.

Verbesserung des Haftverbunds

Je nach Zusammensetzung des CAD/CAM-Kompositmaterials ist die Strategie zur Erreichung eines optimalen Haftverbundes unterschiedlich. Das Verfahren sollte möglichst einfach sein, um potenzielle Anwendungsfehler zu vermeiden, die sich negativ auf den Haftverbund auswirken können. Allgemein kann man folgende Regeln beachten:

• Vergrößerung der Klebeoberfläche und Erzeugung mechanischer Retentionen
• Verbund zu den Füllstoffen
• Verbund zur polymerisierten Harzmatrix

Im Falle von BRILLIANT Crios (Glasfüller in einer Polymermatrix mit unpolymerisierten Doppelbindungen) hat sich folgendes Verfahren als das beste erwiesen:

• Korundstrahlen der Verbundflächen
• Applikation von ONE COAT 7 UNIVERSAL

ONE COAT 7 UNIVERSAL enthält Carbonsäurederivate (polymethacrylierte Polyacrylsäure) und MDP für die Verbesserung des Haftverbundes zum Glasfüller. OH- und NH-Gruppen in ONE COAT 7 UNIVERSAL können Wasserstoffbrückenbindungen zu den NH- und OH-Gruppen der polymerisierten Harzmatrix der BRILLIANT-Crios-Restauration ausbilden. Doppelbindungen der methacrylatbasierenden Monomere in ONE COAT 7 UNIVERSAL können mit den unpolymerisierten Doppelbindungen von BRILLIANT Crios bei der Polymerisation eine chemische Verbindung eingehen. Da es sich bei der Kombination von BRILLIANT Crios und ONE COAT 7 UNIVERSAL um ein aufeinander abgestimmtes System handelt, schreibt der Hersteller den Einsatz dieses Bonds vor, um den sicheren Verbund zu BRILLIANT Crios zu gewährleisten.

Befestigungsmaterial

Für die adhäsive Befestigung einer CAD/CAM-Kompositrestauration dürfen nur harzbasierte Befestigungsmaterialien verwendet werden, weil nur diese einen adhäsiven Verbund garantieren. Je nach Hersteller von CAD/CAM-Kompositen werden unterschiedliche harzbasierte Befestigungsmaterialien empfohlen. Oft wird im Zusammenhang mit Befestigungsmaterialien von CAD/CAM-Kompositen der Ausdruck Zement verwendet. Unter einem Zement versteht man allerdings auch Materialien wie Zinkphosphat und (harzverstärkte) Glasionomerzemente. Diese Zemente sind leider ungeeignet, einen dauerhaften Verbund einer CAD/CAM-Kompositrestauration zu gewährleisten. Als harzbasierte Befestigungsmaterialien können lichthärtende stopfbare oder fließfähige Komposite eingesetzt werden. Beim finalen Härtungsvorgang ist darauf zu achten, dass genügend Licht durch die Restauration zum Befestigungsmaterial vordringt, um dieses auszuhärten. Im Falle von BRILLIANT Crios beispielsweise darf die Schichtdicke der CAD/CAMRestauration bei Verwendung lichthärtender Befestigungswerkstoffe 3 mm nicht übersteigen. Bei größeren Schichtdicken der Restauration kommen dualhärtende, harzbasierte Produkte zum Einsatz, die oft als adhäsive Befestigungsmaterialien bezeichnet werden. Die maximale Schichtdicke für BRILLIANT Crios CAD/CAM-Restaurationen beträgt hierbei 5 mm.

Ein Spezialfall ist die Befestigung der CAD/CAM-Kompositkrone auf einem Titan- oder Keramik-Abutment. Hier können selbstadhäsive Befestigungsmaterialien (z. B. SoloCem), die eine sehr gute Haftung auf Metall und Keramik besitzen, verwendet werden. Obwohl diese Befestigungsmaterialien selbstadhäsiv sind, muss der Verbund zur CAD/CAM-Restauration, wie bereits erwähnt, mit einem zusätzlichen Adhäsivschritt generiert werden.

Adhäsion zur Zahnsubstanz

Um den Verbund zur Zahnsubstanz sicherzustellen, ist ein geeignetes Bonding einzusetzen. Handelt es sich um lichthärtende Bondings, sind diese zwingend, analog zur konventionellen Füllungstherapie, nach dem Auftragen auf die Zahnsubstanz gemäß Gebrauchsanleitung mit Licht zu härten. Ferner ist darauf zu achten, dass das verwendete Befestigungsmaterial nicht zu opak ist. Ansonsten kann bei der finalen Lichtpolymerisation nicht genügend Licht durch die Restauration zur unausgehärteten Inhibitionsschicht des Bondings dringen. In solchen Fällen sind dual- oder chemisch härtende Bondings indiziert. Ist die Restauration in situ platziert, muss im Falle von BRILLIANT Crios mit Licht durch diese gehärtet werden, um eine Polymerisation aller verwendeten Materialien zu gewährleisten. Für ein optimales Ergebnis ist auf die Einhaltung der empfohlenen Belichtungszeiten und Lichtintensität der Hersteller zu achten. Es wird sich zeigen, ob sich die Strategie der finalen Belichtung in Zukunft bei allen CAD/-CAM-Kompositmaterialien durchsetzen wird.

Wie erwähnt, sind die Befestigungsstrategien von CAD/CAMKompositmaterialien unterschiedlich, die zu abweichenden klinischen Langzeiterfolgen führen können. Zusammenfassend sind hier die wichtigsten Punkte zur Befestigung von CAD/CAM-Kompositmaterialien aufgeführt:

• Korundstrahlen der Restauration an den Befestigungsflächen
• Herstellung eines adhäsiven Verbunds zwischen CAD/CAMKompositmaterial und Befestigungsmaterial (zu Füller und Harzmatrix)
• ausschließliche Verwendung von harzbasierten Befestigungsmaterialien
• Herstellung eines adhäsiven Verbunds zur Zahnsubstanz (bzw. Stumpfaufbau und Abutment) mit einem Bonding. Bei lichthärtenden Bondings immer nach der Applikation belichten.
• Nach dem finalen Einsetzen der CAD/CAM-Kompositrestauration wird diese gemäß Gebrauchsanleitung belichtet.

Studien zum Nachweis des Verbundes zu Kompositmaterialien beschäftigen sich oft mit der Applikation von Flusssäure/ Silan oder nur Silan nach dem Korundstrahlen [16,22]. Dies ist die klassische Vorgehensweise bei keramischen Restaurationen. Der Einsatz von speziell auf Komposit abgestimmten Bondings/Adhäsiven wird kaum berücksichtigt. Meine Erfahrungen im Bereich der Polymerchemie und mit BRILLIANT Crios im Besonderen legen nahe, dass der Einsatz von Bondings/Adhäsiven zur Erzeugung des Verbundes zu CAD/CAM-Kompositrestaurationen die besten Resultate hervorbringt. Weitere Studien in diese Richtung werden zeigen, ob diese Strategie die richtige ist.

Fazit

Kompositbasierte CAD/CAM-Materialien sind bezüglich ihres Aufbaus lichthärtenden Füllungsmaterialien sehr ähnlich. Entsprechend einfach lassen sie sich nach dem Schleifvorgang modifizieren und polieren. Eine farbliche Anpassung oder Modifikationen, wie zum Beispiel der Aufbau eines Kontaktpunktes, sind mit der entsprechenden Adhäsivtechnik und Komposit einfach zu realisieren. Im Vergleich zu lichthärtenden Kompositen sind CAD/CAM-Kompositwerkstoffe unter optimalen, industriellen Bedingungen extraoral hergestellt. Deshalb weisen sie verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Sie sind schonend zum Antagonisten und, im Falle von BRILLIANT Crios, bezüglich der Abrasion der Restauration vergleichbar mit Keramiken. Wichtig ist, CAD/CAM-Kompositmaterialien korrekt adhäsiv zu befestigen, d. h. sowohl adhäsiv zur CAD/CAM-Restauration als auch adhäsiv zur Zahnsubstanz beziehungsweise zum Stumpfaufbau oder Abutment.

Bildnachweis alle Bilder: COLTENE

Näheres zum Autor des Fachbeitrages: Dr. Ralf Böhner

Bilder soweit nicht anders deklariert: Dr. Ralf Böhner

Weiterführende Links

> Zur Literaturliste ZMK (32)3 2016, S. 112–118