Untersuchungen zur Dauerschwingfestigkeit viergliedriger CAM-Zirkonoxidbrückengerüste im Stufenlastverfahren

Abstract

Für die klinische Langzeitprognose weitspanniger Brückensysteme spielt die Dauerfestigkeit eine wichtige Rolle. Daher sollte die Langzeitstabilität viergliedriger Brückengerüste verschiedener Hersteller aus Zikoniumdioxid (ZrO2) überprüft werden. Viergliedrige ZrO2-Brückengerüste unterschiedlicher Hersteller aus verschiedenen Materialien wurden im Dauerschwingversuch auf ihre Bruchfestigkeit und bezüglich der Zyklenzahl bis zum Eintritt einer Fraktur geprüft und verglichen. Weiter sollte untersucht werden, ob die Brückengerüste nach einer Million Belastungszyklen eine klinisch geforderte Mindestfestigkeit von 600N aufweisen und somit nach dieser Definition als „dauerfest“ bezeichnet werden können. Basierend auf einem standardisierten STL-Datensatz wurden 66 viergliedrige Brückengerüste untersucht. 41 Gerüste stammten von vier Firmen, die restlichen 25 Brücken wurden mit der Cercon (Degudent) und Cerec 3 (Sirona) Schleifeinheit im Eigenlabor hergestellt. Die Gerüste wurden auf Prämolaren- und Molarenkunst-stoffstümpfe zementiert und die Lasteinleitung erfolgte von okklusal über eine Stahlkugel am distalen Zwischenglied. Alle Versuche wurden in bidestilliertem Wasser durchgeführt. Die Belastungen erfolgten in einem Stufenlasttest nach DIN 50100, bei dem, beginnend mit 50N, 100.000 Belastungszyklen bei einer Frequenz von 10Hz aufgebracht wurden. Anschließend wurde die Kraft in weiteren Stufen um jeweils 50N bis zum Bruchereignis erhöht. Die Konnektorenflächen der Ellipsenkörper wurden mit Hilfe eines Tastzirkels vor Versuchsbeginn gemessen und berechnet. Eine mikroskopische Erfassung der Bruchflächen mit Auswertung und Berechnung erfolgte nach der Versuchsdurchführung. Weiter wurden Berechnungen in Anlehnung an den 3-Punkt-Biegeversuch durchgeführt. Es zeigte sich, dass gehippte ZrO2-Gerüste signifikant stabiler waren als dichtgesinterte Gerüstprüfkörper. Gehipptes ZrO2 besaß mit 1275N die höchste mittlere Bruchkraft. Die gehippten Gerüste erreichten höhere Werte als die Referenzbrücke aus Titan (1123N) sowie die übrigen TZP-ZrO2-Gerüste, die Bruchkräfte zwischen 744N und 1115N aufwiesen. Alle Brückengerüste erreichten im Durchschnitt 10^6 Zyklen, wobei gehipptes ZrO2 bis zu 2,5x10^6 Schwingspielen standhielt, was mit der Dauerfestigkeit von Stählen vergleichbar ist. Es wurde gezeigt, dass alle getesteten Gerüste der geforderten Zyklenzahl von 10^6 standhielten und somit in Anlehnung an die Bauteilprüfung als „dauerfest“ bezeichnet werden können. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit anderen Studien bereitet Schwierigkeiten, da Prüfdesigns und Parameter der jeweiligen Untersuchungen sehr unterschiedlich sind. Weiterhin gibt es weder nationale noch internationale Normen für die Prüfung der zyklischen Dauerschwingfestigkeit bei der dentalen Keramik nach ISO 6872. Bei einer Festlegung von Normen sollte idealerweise auch die Biegespannung zur Erfassung der Konnektorenstärken berücksichtigt werden. Die gehippten Hint-ELs-Gerüste zeigten eine signifikant höhere Biegespannung gegenüber allen anderen Prüfkörpern. Eine Ableitung zum 3-Punkt-Biegeversuch ist somit möglich. Größere Konnektorenstärken ergaben grundsätzlich keine signifikant höheren Biegefestigkeitswerte. Unterschiede beim Material, den Fräseinheiten und dem Schleifkörper spielten eine Rolle. Mit Hilfe der Finite-Elementanalyse wären in Zukunft eventuell durch modifizierte Präparationen neue Brückendesigns mit stabileren Gerüsten möglich. Ein typisches Bruchmuster in Abhänigkeit zur Bruchfestigkeit konnte nicht ermittelt werden. Die Konnektoren an K2 und K3 sowie am Auflager A2 frakturierten zwar häufiger, was durch die Krafteinleitung aber nicht verwundert. Um die initiale Rissbildung und Ausbreitung jedoch genau zu erfassen, hätte eine photographische Dokumentation erfolgen müssen. Gehipptes Zirkonoxid hatte bei grazileren Konnektorenstärken eine deutlich höhere Biegefestigkeit und wies im Gegensatz zu vorgesintertem Zirkonoxid höhere Zyklenzahlen auf. Gerade bei größeren Schaltlücken im Seitenzahngebiet, bei denen weitspannige Brückengerüste zum Einsatz kommen, ist gehipptes Zirkonoxid trotz ökonomischen Nachteils bei der Herstellung und dem Materialkörperverschleiss offensichtlich am besten geeignet, da an Hand der in vitro Ergebnisse eine bessere Langzeitstabilität zu erwarten ist.

Long-term stability is an essential issue for the clinical prognosis of all-ceramic fixed partial dentures (FPD). It is of special importance for extended reconstructions, e.g. 4-unit FPD´s. A widely accepted indicator of long-term stability is cyclic load testing in vitro. Therefore, the fracture resistance of Zirconia-based 4-unit FPD´s frameworks was tested under cyclic loading according to a standardized laboratory test (DIN 50100). Endpoint of observation was the mechanical integrity of a framework under progressive loading over at least 1 million cycles ending at 600 N. A master model simulating an idealized clinical situation of a 4-unit FPD from the first lower left premolar to the second molar (FDI codes: 34, 37) was used. A circular shoulder of 1 mm of depth with a rounded inner line angle and a total axial convergence angle of 10° was prepared. The occlusal surface was prepared in a depth of about 1.5 mm including a mesiodistally oriented box of about 1 mm of depth and width. Replicas of this master model were fabricated by an industrial injection molding process using a resin material having mechanical properties similar to human dentin. The data of the master model were computerized by laser scanning. 6 groups of Zirconia frameworks, 10 specimens each, were manufactured by different providers. 4 providers (HintELs, Everest, etkon, Vita In-Ceram YZ) used the STL data of one master framework computer-aided designed on the computerized master model. As a reference for progressive load testing, one titanium framework was fabricated (HintELs) in the same way. Furthermore, 2 groups of 10 specimens each were fabricated (Cercon, Vita In-Ceram YZ/ Cerec 3D inLab) by the investigator capturing the construction data by laser scanning of the master framework. All test specimens were cemented to master model replica by using ZnO Phosphate cement under standardized conditions and load. Progressive load testing with 50 N by a frequency of 10 Hz and was increased all 100.000 cycles in steps of 50 N till framework fracture occurred. Results showed that HIP Zirconia (HintEls) frameworks were significantly more stable than Zirconia frameworks densely sintered after grinding or milling. HIP ZrO2 showed the highest average fatigue strength with 1275 N. HIP Zirconia frameworks reached even higher values than the reference bridge made of titanium (1123 N) and all other TZP-ZrO2 frameworks. They showed fatigue strength values between 744 N and 1115 N. All frameworks reached an average of 10^6 cycles before fracture took place. HIP ZrO2 withstood up to 2.5 x10^6 loadings, what is comparable with the fatigue strength of steel. All tested frameworks reached the requested number of 10^6 cycles. Therefore, they could be described as well resistant against fatigue by structural testing. After loading the fractured surfaces were analyzed in a light microscope in order to measure the surface size by using a special software tool. The measured values were used to calculate the critical bending tension according to the formula of the 3-point bending test. Comparisons of these results with other studies are difficult because design and parameter of the respective investigations are very different. There are no national or international standards in testing “fatigue strength” in cyclic loading of dental ceramics in accordance with ISO 6872. For a standard definition it is necessary to capture the bending stress and the strength of connector. The HintELs HIP frameworks showed a significantly higher stability compared to all other tested frameworks. This means a derivation for the 3-point bending test is possible. Lager connector’s dimensions showed no significantly indicator of a higher long-term stability. Differences in material, milling units and the grindings had been relevant. With the help of the finite-element analysis and modern preparations it may be possible to design new frameworks with more stability. A typical fracture pattern depending on the bending strength could not be determined. Connectors on K2 and K3 and hanger A2 fractured more often than others, which is not really surprising based on our test set-up. To check the initial crack formation and propagation, a permanent photographic or video-documentation should be done. With smaller connector dimension HIP Zirconia showed significantly higher flexural strength and withstood more load cycles, then Zirconia frameworks fabricated by using presintered blanks. It is concluded than Zirconia based FPD´s have obviously a good long-term stability for clinical use. Due to the highest resistance observed in this laboratory study FDP´s with frameworks of HIP Zirconia should be preferred in case of extended reconstruction.