Nacera Blue X: transluzenzerhöhende Flüssigkeit für 3Y-TZP Zirkonoxid

Das Blaue Wunder für Zirkonoxid

Hat dem Zirkonoxid nun das letzte Stündchen geschlagen? Keine Sorge, nein. Im Gegenteil. Der Spezialist für Hochleistungskeramiken Doceram Medical hat eine blaue Flüssigkeit entwickelt. Sie hört auf den Namen Nacera Blue X und dient dazu, die Transluzenz von Zirkonoxid zu erhöhen. Und da die Flüssigkeit aufgepinselt wird, können diese Transparenzen sogar partiell „eingestellt“ werden. Zauberei? Auch ein klares Nein. Wie das genau funktioniert, soll dieser Artikel klären.

 

 

Einführende Gedanken

Das Angebot an Zirkonoxiden als Restaurationsmaterial für den Dentalmarkt ist vielfältig. Zirkonoxid hat sich vor allem aufgrund seiner optischen und hervorragenden ­mechanischen Eigenschaften bewährt. Neben der bemerkenswerten Biokompatibilität und hohen Festigkeit weist Zirkonoxid gegenüber anderen Restaurationsmaterialien viele weitere Vorteile auf.

Dem Dentalmarkt wird ein breites Port­folio unterschiedlicher Zirkonoxid-Produkte in verschiedensten Variationen offeriert. Dabei wird, neben dem Farbangebot, auch bezüglich der Zugabe von Yttriumoxid als Dotierung differenziert. Hinsichtlich des Farbangebots wird zwischen weißem, vorgefärbtem und mehrschichtigem Zirkonoxid unterschieden. Darüber hinaus wird spätestens seit der zweiten Zirkonoxid-Generation auch der Yttriumoxid-Gehalt des Zirkonoxids variiert. Dieser wird verändert, da sich mit steigendem Anteil (bis 8 Mol-%) die Transluzenz des Zirkonoxids ändert.

Für die dentale Anwendung wird im Wesent­lichen der Zusatz von 3 bis 6 Mol-% Yttriumoxid unterschieden. Dies hat Folgen für die Definition und Unterscheidung der Zirkonoxide:

 

  • Low Translucent Zirconia (LT)
  • High Translucent Zirconia (HT)
  • Ultra High Translucent Zirconia (UHT)

 

Je höher der Yttriumoxid-Gehalt eingestellt ist, desto transluzenter wird das Zirkonoxid. Durch die damit einhergehende Veränderung der Kristallstruktur wird die Biegefestigkeit des Materials verringert.

 

Zusammenhang von Stabilisierung, Transluzenz und Biegefestigkeit

Das für Dentalanwendungen verwendete Zir­kon­­­oxid (ZrO2) wird synthetisch hergestellt. Reines ZrO2 besitzt bei Raumtemperatur eine monokline Kristallstruktur. Man spricht hier auch von Modifikationen. Die Kristallstruktur bezieht sich auf die Ausrichtung und die Abstände der Atome ­zueinander.

Die unterschiedlichen Modifikationen wirken sich unter anderem auch auf die Dichte aus. Die höchste Dichte ist, mit 6,1 g/cm3, bei tetragonalem ZrO2 zu finden. Bei der monoklinen Struktur liegt die Dichte bei 5,56 g/cm3 und bei der kubischen bei etwa 5,68 bis 5,91 g/cm3. Diese Änderung der Struktur ergibt sich durch geringe Abweichungen in der Ausrichtung der Sauerstoffatome (Abb. 1). Das Material wandelt sich bei zirka 1170 °C in die tetragonale Phase und bei etwa 2370 °C in die kubische Phase um (Abb. 2). Bei der Abkühlung, also nach der Sinterung des Materials, werden diese Modifikationen durchlaufen. Der kritischste Punkt liegt bei der Umwandlung von der tetragonalen zur monoklinen Phase, denn dieser Modifikationswechsel hat eine Volumendehnung von 5 bis 8 % zur Folge. Diese Dehnung führt zur Schädigung des Materials. Aus diesem Grund werden dem ZrO2 weitere Oxide als Dotierung zugefügt – beispielsweise Yttriumoxid (Y2O3). Dadurch wird verhindert, dass die Umwandlung in die monokline Phase nicht stattfindet.

Durch die zugesetzten Oxide entstehen Sauerstoffleerstellen in der Struktur, die eine Stabilisierung der gewünschten Modifikation ermöglichen.

Bei Erhöhung des Yttriumgehalts steigt der Anteil der kubischen Phase im Material. Bei einem Yttriumgehalt von 8 Mol-% hat die Dotierung eine Vollstabilisierung der kubischen Phase zur Folge.

Den größten Vorteil bringt jedoch die Stabilisierung der tetragonalen Phase, da dies, zusätzlich zur Verhinderung der Schädigung des Bauteils, auch eine Erhöhung der Biegefestigkeit zur Folge hat. Aufgrund der guten Eigenschaften des yttriumstabilisierten ZrO2 kommt dieser Werkstoff für dentale Anwendungen zum Einsatz.

 

Biegefestigkeit

Bei 3Y-TZP* stabilisiertem ZrO2 wird die höchste Biegefestigkeit gemessen. Dies ist in der Umwandlungsverstärkung des Materials begründet. Die Umwandlung von der tetragonalen in die monokline Phase geht mit einer Volumendehnung der Körner von 5 bis 8 % einher. Zugspannungen auf das Bauteil können, ausgehend von der Oberfläche, Risse induzieren. Diese breiten sich, abhängig von der Risswachstumsgeschwindigkeit des Materials, in dem Gefüge aus. Wenn der Riss durch das Gefüge wandert, werden die angrenzenden, metastabilen tetragonalen ZrO2-Körner in die mono­kline Phase umgewandelt. Dies führt zu der beschriebenen Volumendehnung und dem Zusammendrücken der Rissspitze. Hierbei wird viel Rissenergie abgebaut, was die Ausbreitungsgeschwindigkeit hemmt.

01 Zirkonoxid-Modifikationen von oben: a = kubisch, b = tetragonal, c = monoklines Kristallgitter; helle Kugeln = Zr, dunkle Kugeln = O (Quelle: Brevier)

Mit diesem Effekt lassen sich die erhöhten Biegefestigkeitswerte erklären. Der entstehende Riss wird vom Material selbst zugedrückt und eine Ausbreitung wird somit gestoppt (vgl. Abb. 2).

Dieser Effekt verstärkt auch Zirkonoxid, das mit 5 und 6 Mol-% Yttriumoxid stabilisiert wurde. Im Gegensatz zu 3Y-TZP befindet sich jedoch im Gefüge des 5 und 6Y-PSZ** ein hoher Anteil an kubischen Körnern.

Diese Körner werden nicht durch mechanische Einwirkung in die monokline Phase umgewandelt. Dadurch geht ein Teil der risshemmenden Wirkung verloren (Abb. 3). Im Ergebnis verringert sich die Festigkeit und Risse wandern tiefer oder sogar ungehindert durch den Werkstoff.

02 Risshemmender Effekt bei 3Y-TZP Zirkonoxid. Die durch den Riss induzierte Energie wandelt die tetragonalen Körner in monokline um. Damit einher geht eine Volumenzunahme, die dafür sorgt, dass der Riss zugedrückt wird

03 Der risshemmende Effekt ist auch bei 5Y- und 6Y-PSZ Zirkonoxid zu beobachten. Allerdings befindet sich hier ein hoher Anteil an kubischen Körnern im Gefüge

 

Transluzenz

Transluzenz kann als partielle Lichtdurchlässigkeit durch einen Körper verstanden werden. Sie kann durch verschiedene Einflüsse des Gefüges (Korngrößen, Porenverteilung et cetera) beeinflusst werden. Neben der Absorption und der Reflexion des Lichtstrahls durch Korngrenzen und Porositäten spielt zusätzlich die Lichtbrechung an Kristallgrenzen eine große Rolle. Diese Lichtbrechung ist abhängig von dem Aufbau des Kristallsystems (Abb. 4).

Die meisten Systeme zeigen einen anisotropen Aufbau und spalten den einfallenden Lichtstrahl auf und lenken ihn unterschiedlich ab. Diesen Effekt nennt man auch Doppelbrechung. Dieser Effekt senkt, wie die zuvor erwähnten Phänomene, die Transluzenz. Die Doppellichtbrechung ist eine physikalische Eigenschaft optischer Materialien, die zwei Brechungsindizes besitzen. Dabei wird das Licht in unterschiedlichen Polarisierungsebenen verschieden gebrochen (Abb. 5a).

In bearbeitbarem, polykristallinen Zirkonoxid führt dies zu einer verstärkten Streuung des Lichts und somit zur Opazität. In dem 6Y-PSZ Zirkonoxid konnte diese Doppellichtbrechung und somit die Opazität drastisch reduziert werden (Abb. 5b).

Das kubische Kristallsystem ist isotrop und zeigt daher kein solches Verhalten.

Durch die lokale Erhöhung des Yttriumgehalts in der ZrO2-Keramik wird auch lokal das kubische Kristallsystem stabilisiert. Aus diesem Grund wird der nachteilige Effekt der Doppelbrechung vermieden. In diesen Bereichen wird somit die Transluzenz erhöht.

04 Hier ist anhand des Diagramms der Phasenumwandlung dargestellt, wie die Temperatur, aber auch der Anteil an Yttriumoxid (Y2O3) auf die Kristallstruktur des Zirkonoxids wirken

05a & b Der Effekt der Doppellichtbrechung an 3Y-TZP Zirkonoxid a und 6Y-PSZ Zirkonoxid b. Bei Letzterem konnte der Effekt der verstärkten Streuung stark reduziert werden, weshalb dieses Zirkonoxid transluzenter ist

 

Problem

Aufgrund der unübersichtlichen Materialvielfalt besteht seitens der Zahntechniker eine Verunsicherung, wenn es darum geht, das für den jeweiligen Patientenfall indizierte Zirkonoxid auszuwählen. Ebenso wäre eine entsprechende Lagerhaltung notwendig, um für jede Indikation das entsprechende Material vorhalten zu können. Damit verbunden sind eine Kapitalbindung und eine erhöhte Kostensituation.

 

Lösung

Mit Nacera Blue X besteht die Möglichkeit, auf vorgefärbtem 3Y-TZP Zirkonoxid der Marke Nacera ein innovatives Liquid aufzutragen (Abb. 6). Dies führt nach dem Sintern lokal zum selben Effekt, wie ihn kubisches Zirkonoxid aufweist. Mit der Anwendung von Nacera Blue X kann somit die Transluzenz lokal um bis zu 8 % gesteigert werden.

Bei einer dentalen Restauration, beispielsweise einer Brücke, wird die Unterseite des freischwebenden Brückenglieds auf Zug belastet. Hier ist anzumerken, dass dieser Bereich die tetragonale Modifikation, also die Umwandlungsverstärkung, aufweist. Aus diesem Grund ist die Indikation von Nacera Blue X auf die Oberseite der Restauration begrenzt. Dies bedeutet, dass die Unterseite des verwendeten 3Y-TZP Zirkonoxids ihre tetragonale Modifikation behält und nur der okklusale Bereich lokal kubisch umgewandelt wird.

06 Nacera Blue X von Doceram Medical Ceramics bietet eine clevere Lösung, um die kubische und somit lichtdurchlässigere Phase von Nacera Zirkonoxid (3Y-TZP) partiell zu erhöhen

 

Versuche haben gezeigt, dass bei derart behandelten Kronen eine ähnlich hohe Biegefestigkeit erreicht wird wie bei unbehandelten Kronen.

Nacera Blue X kann sowohl für Einzelzähne im Front- und Seitenzahnbereich als auch für Brücken mit bis zu drei Einheiten verwendet werden. Das Liquid wird mit dem Pinsel individuell ab der Zahnmitte hin zur Inzisalkante aufgetragen und sorgt für eine gezielte Erhöhung der Transluzenz.

Durch die veränderten optischen Eigenschaften der kubischen Phase wird auf vorgefärbtem 3Y-TZP Zirkonoxid gearbeitet. Aufgrund der partiell erhöhten Transluzenz sinkt das Chroma, wodurch ein natürlich wirkender Farbverlauf entsteht.

 

Wirkung von Nacera Blue X

Grundlegend ist das patentierte*** Nacera Blue X eine komplexe Lösung mit Yttrium-Komponente. Die niedrigviskose Flüssigkeit wird mit einem Pinsel auf eine vorgesinterte ZrO2-Keramik (Weißling) aufgebracht (Abb. 7a). Durch die Vorsinterung der Dentalblanks entsteht ein poröses Gefüge mit einer hohen Wasseraufnahme. Nach Behandlung mit Nacera Blue X besteht lokal ein hoher Gehalt an Yttrium, vorzugsweise auf den inzisalen beziehungsweise okklusalen Flächen.

Während der anschließenden Endsinterung vaporisiert die Nacera Blue X Lösung. In der Folge werden die zusätzlich eingebrachten Yttrium-Atome in das ZrO2-Y2O3-Gitter mit aufgenommen und bewirken dort eine erhöhte Stabilisierung der kubischen Phase. Nach Abkühlung der ZrO2-Restauration weisen die bepinselten Bereiche somit einen erhöhten Anteil der kubischen Phase auf (Abb. 7b bis d). Nacera Pearl Zirkonoxid, das mit Blue X behandelt wurde, behält die Biegefestigkeit von 1200 MPa (Biegefestigkeit nach DIN-EN ISO 6872-2016) bei.

Diese ist somit fast doppelt so hoch wie bei rein kubischem Zirkonoxid und bis zu dreimal so hoch wie bei Lithium-Disilikat.

Die partielle Anwendung von Nacera Blue X auf vorgefärbtem 3Y-TZP Nacera Pearl ­Zirkonoxid ermöglicht Ergebnisse mit der naturidentischen Ästhetik monolithischer Zirkonoxid-Restaurationen, da nachträglich ein Multi-Layer-Effekt erzielt wird, ohne einen Festigkeitsverlust in Kauf nehmen zu müssen (Abb. 8 und 9). Die Anschaffung von zusätzlichen ultra-hoch-transluzenten Zirkonoxid-Blanks entfällt mit Nacera Blue X und hilft somit, die Lagerhaltung der verschiedenen Materia­lien einzugrenzen. Damit erhöht sich die Flexibilität und Kosten können letztendlich gesenkt werden. 

07a - d

a Anwenden von Nacera Blue X auf dem Nacera Pearl Zirkonoxid

b Das Ergebnis der mit Nacera Blue X behandelten Zirkonoxid-Brücke nach dem Dichtsintern

c Die monolithische Zirkonoxid-Brücke nach dem Finalisieren

d Die Transluzenz kann durch den Einsatz von Nacera Blue X um 8 % gesteigert werden

08 Monolithische Nacera Pearl-Kronen, die im Schneidebereich mit Nacera Blue X modifiziert wurden. Doch was passiert mit der Struktur von 3Y-TZP Zirkonoxid, das ...

09 ... mit Nacera Blue X behandelt wurde? Der Anteil an kubischen Kristallen nimmt zu und das Material wird dort transluzenter, das Chroma sinkt, was zu einem natürlichen Farbverlauf führt

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