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Charakterisierung der Alterungseigenschaften zahnfarbener CAD/CAM-Restaurationsmaterialien
Charakterisierung der Alterungseigenschaften zahnfarbener CAD/CAM-Restaurationsmaterialien
Die durchgeführten Untersuchungen konnten dazu beitragen weiterführende Erkenntnisse zum Alterungsverhalten von dentalen CAD/CAM-Restaurationsmaterialien zu gewinnen. Neben Methoden zur Quantifizierung bestimmter Eigenschaften und deren Änderung durch Alterung kamen unterstützend qualitative Methoden zur Anwendung. Die genutzten Methoden waren geeignet, um mechanische Eigenschaften und das Bruchverhalten unterschiedlicher Materialklassen zu bestimmen. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die Materialien in unterschiedlichem Maße von Alterung beeinflusst sind. CAD/CAM-Restaurationsmaterialien mit einem polymeren Anteil unterliegen Alterungsprozessen deutlich mehr als keramische Materialien. In der ersten Untersuchung wurden mit der Martenshärte und dem Eindringmodul Eigenschaften analysiert, die an der Materialoberfläche ermittelt werden und daher besonders indikativ für eine Beurteilung extrinsischer Einflüsse auf das Material sind. Um langsame diffusionsgesteuerte Alterungsprozesse abzubilden, wurden die Materialien einer Langzeitlagerung bei erhöhten Temperaturen in Wasser unterzogen, bevor sie mit einer thermischen Wechsellast beaufschlagt wurden. Die Martenshärte und der Eindringmodul waren sehr verschieden und abhängig von der Materialklasse. Weder das getestete Hybridmaterial, das aus interpenetrierenden Keramik- und Polymernetzwerken besteht, noch die Komposite erreichten das hohe Werteniveau der Keramiken – weder initial noch nach Alterung. Es stellte sich heraus, dass alle Materialien mit einem polymeren Anteil durch Wasserlagerung mechanisch geschwächt wurden, die Werte für Martenshärte und Eindringmodul verringerten sich bereits nach einem Monat Lagerung und zeigten sich über die weitere Lagerung stabil. Dies spricht für eine Sättigung in der Wasseraufnahme in den oberflächennahen Bereichen. Einige Materialien reagierten besonders empfindlich auf die nachfolgende Beaufschlagung mit thermischer Wechsellast und zeigten niedrigere Martenhärtewerte und niedrigere Werte für den Eindringmodul. Für die zweite Untersuchung wurde eine Methode aus der Bruchmechanik gewählt, da es sich bei allen getesteten CAD/CAM-Restaurationsmaterialien um spröde Werkstoffe handelt, deren mechanische Leistungsfähigkeit besser durch das Bruchverhalten als mit Festigkeitswerten charakterisiert werden kann. Die Bruchzähigkeit wurde mit der SEVNB-Methode aus der Linear-Elastischen-Bruchmechanik bestimmt. Ergänzt wurde die quantitative Analyse mit qualitativen Bruchanalysen. Die ermittelten Bruchzähigkeiten waren jeweils typisch für die Materialklassen. Mit einer Ausnahme sanken bei allen Materialien mit einem polymeren Anteil die Bruchzähigkeiten nach Alterung durch thermische Wechselbelastung. Im Gegensatz dazu zeigten beide Glaskeramiken – Lithium-Disilikat-Keramik und leuzitverstärkte Glaskeramik – ein stabiles Verhalten vor und nach Alterung. Die Auswahl eines geeigneten Restaurationsmaterials basierend auf dem Bruchverhalten ist entscheidend für die marginale Integrität der Versorgung. Für dentale CAD/CAM-Restaurationsmaterialien sind nur wenige Informationen zur Kantenstabilität verfügbar. Deshalb wurde in der dritten Untersuchung die Kantenbruchstabilität als einfache Methode zur Bestimmung des Bruchverhaltens gewählt. Für diese Untersuchung kam erstmals das Martenshärtegerät zur Anwendung. Die Methode hierfür wurde vor der Untersuchung erarbeitet. Ergänzt wurden die Untersuchungen wiederum mit Bruchanalysen. Die Martenshärte wurde ebenfalls an denselben Prüfkörpern ermittelt. Alle getesteten CAD/CAM-Restaurationsmaterialien zeigten ein sprödes Bruchverhalten, allerdings variierten sowohl die Martenshärte als auch die Kantenbruchstabilität von Material zu Material. Die Glaskeramik (Kontrollgruppe) zeigte die höchsten Werte für die Martenshärte gefolgt vom Hybridmaterial, das aus interpenetrierenden Keramik- und Polymernetzwerken besteht. Die Kantenbruchstabilitätswerte zeigten eine gegensätzliche Rangfolge der Materialien, wobei die Komposite die höchsten Werte zeigten. Die Alterung durch thermische Wechselbeanspruchung beeinflusste alle Materialien. Besonders ausgeprägt war die Änderung der Kantenbruchstabilität bei den CAD/CAM-Kompositen. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass die Materialien teilweise ein sehr unterschiedliches Verhalten zeigen, obwohl sie für dieselbe Anwendung und gleiche Indikationen freigegeben sind. Weiterführende Untersuchungen sind empfehlenswert, um die Leistungsfähigkeit in der klinischen Anwendung besser abschätzen zu können. Neben den mechanischen Eigenschaften und dem Bruchverhalten sind auch Aspekte wie optische Eigenschaften, Verschleißverhalten und Befestigungsmöglichkeiten für eine umfassende Bewertung zu beleuchten., The investigations carried out have helped to gain further insight into the aging behavior of dental CAD / CAM materials. In addition to methods for the quantification of specific properties and their change by aging, qualitative methods were applied. The methods used were suitable for determining mechanical properties and the fracture behavior of different material classes. It was also revealed that the materials are affected by aging to varying degrees. CAD / CAM materials with a polymeric content are more prone to aging effects than ceramic materials. In the first study, Martens hardness and the indentation modulus were analyzed. Both properties are determined on the surface of the material and are therefore particularly indicative for an assessment of extrinsic influences on the material. To investigate slow diffusion-controlled aging processes, the materials were subjected to long-term storage in water at elevated temperatures before being subjected to thermal cycling. Martens hardness and indentation modulus were very different among the materials and dependent on the material class. Neither the tested hybrid material nor the composites achieved the high value level of the ceramics – neither initially nor after aging. It turned out that all materials with a polymer content were mechanically weakened by water storage. Martens hardness and indentation modulus values dropped after one month of water storage and were stable afterwards. This indicates a saturation of water absorption close to the surface. Some materials were particularly sensitive to the subsequent thermal cycling and showed lower Martens hardness and indentation modulus values. For the second study, a fracture mechanics approach was chosen since all CAD / CAM materials tested were brittle materials whose mechanical performance is better characterized by fracture behavior than strength values. The fracture toughness was determined using the SEVNB method of the linear elastic fracture mechanics concept. The quantitative analysis was supplemented with qualitative fracture analyzes. The determined fracture toughness was typical for each material class. With one exception, the fracture toughness of all materials containing polymers decreased after aging due to thermal cycling. In contrast, both glass ceramics – lithium disilicate ceramic and leucite-reinforced glass ceramic – showed a constant behavior before and after aging. The selection of a suitable restorative material based on fracture behavior is critical to the marginal integrity of a restoration. For dental CAD / CAM restorative materials, little information on edge stability is available. Therefore, in the third study, the edge chipping resistance was chosen as a simple method for determining the fracture behavior. For the first time, the Martens hardness device was used for this kind of measurement. The method applied with the Martens hardness device has been developed upfront for the study. The examinations were supplemented with fracture surface analyzes. Martens hardness was also determined on the same test specimens. All tested CAD / CAM materials showed a brittle fracture behavior, however Martens hardness and edge chipping resistance varied between the materials. The glass-ceramic (control group) showed the highest Martens hardness values followed by the hybrid material, which consists of interpenetrating ceramic and polymer networks. The edge chipping resistance values showed an opposite ranking of the materials, with the composites showing the highest values. Aging by thermal cycling affected all materials. Particularly pronounced was the change of edge chipping resistance for the group of CAD / CAM composites. Although they are released for the same application and the same indications, the results of the studies reveal that the materials sometimes behave differently. Further investigations are recommended in order to enhance the predictability of the material’s performance in the clinical environment. In addition to the mechanical properties and the fracture behavior, aspects such as optical properties, wear behavior and cementation options should also be considered for a comprehensive evaluation.
Dental, CAD/CAM, Alterung, Komposit, Glaskeramik
Hampe, Rüdiger
2020
German
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Hampe, Rüdiger (2020): Charakterisierung der Alterungseigenschaften zahnfarbener CAD/CAM-Restaurationsmaterialien. Dissertation, LMU München: Faculty of Medicine
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Abstract

Die durchgeführten Untersuchungen konnten dazu beitragen weiterführende Erkenntnisse zum Alterungsverhalten von dentalen CAD/CAM-Restaurationsmaterialien zu gewinnen. Neben Methoden zur Quantifizierung bestimmter Eigenschaften und deren Änderung durch Alterung kamen unterstützend qualitative Methoden zur Anwendung. Die genutzten Methoden waren geeignet, um mechanische Eigenschaften und das Bruchverhalten unterschiedlicher Materialklassen zu bestimmen. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass die Materialien in unterschiedlichem Maße von Alterung beeinflusst sind. CAD/CAM-Restaurationsmaterialien mit einem polymeren Anteil unterliegen Alterungsprozessen deutlich mehr als keramische Materialien. In der ersten Untersuchung wurden mit der Martenshärte und dem Eindringmodul Eigenschaften analysiert, die an der Materialoberfläche ermittelt werden und daher besonders indikativ für eine Beurteilung extrinsischer Einflüsse auf das Material sind. Um langsame diffusionsgesteuerte Alterungsprozesse abzubilden, wurden die Materialien einer Langzeitlagerung bei erhöhten Temperaturen in Wasser unterzogen, bevor sie mit einer thermischen Wechsellast beaufschlagt wurden. Die Martenshärte und der Eindringmodul waren sehr verschieden und abhängig von der Materialklasse. Weder das getestete Hybridmaterial, das aus interpenetrierenden Keramik- und Polymernetzwerken besteht, noch die Komposite erreichten das hohe Werteniveau der Keramiken – weder initial noch nach Alterung. Es stellte sich heraus, dass alle Materialien mit einem polymeren Anteil durch Wasserlagerung mechanisch geschwächt wurden, die Werte für Martenshärte und Eindringmodul verringerten sich bereits nach einem Monat Lagerung und zeigten sich über die weitere Lagerung stabil. Dies spricht für eine Sättigung in der Wasseraufnahme in den oberflächennahen Bereichen. Einige Materialien reagierten besonders empfindlich auf die nachfolgende Beaufschlagung mit thermischer Wechsellast und zeigten niedrigere Martenhärtewerte und niedrigere Werte für den Eindringmodul. Für die zweite Untersuchung wurde eine Methode aus der Bruchmechanik gewählt, da es sich bei allen getesteten CAD/CAM-Restaurationsmaterialien um spröde Werkstoffe handelt, deren mechanische Leistungsfähigkeit besser durch das Bruchverhalten als mit Festigkeitswerten charakterisiert werden kann. Die Bruchzähigkeit wurde mit der SEVNB-Methode aus der Linear-Elastischen-Bruchmechanik bestimmt. Ergänzt wurde die quantitative Analyse mit qualitativen Bruchanalysen. Die ermittelten Bruchzähigkeiten waren jeweils typisch für die Materialklassen. Mit einer Ausnahme sanken bei allen Materialien mit einem polymeren Anteil die Bruchzähigkeiten nach Alterung durch thermische Wechselbelastung. Im Gegensatz dazu zeigten beide Glaskeramiken – Lithium-Disilikat-Keramik und leuzitverstärkte Glaskeramik – ein stabiles Verhalten vor und nach Alterung. Die Auswahl eines geeigneten Restaurationsmaterials basierend auf dem Bruchverhalten ist entscheidend für die marginale Integrität der Versorgung. Für dentale CAD/CAM-Restaurationsmaterialien sind nur wenige Informationen zur Kantenstabilität verfügbar. Deshalb wurde in der dritten Untersuchung die Kantenbruchstabilität als einfache Methode zur Bestimmung des Bruchverhaltens gewählt. Für diese Untersuchung kam erstmals das Martenshärtegerät zur Anwendung. Die Methode hierfür wurde vor der Untersuchung erarbeitet. Ergänzt wurden die Untersuchungen wiederum mit Bruchanalysen. Die Martenshärte wurde ebenfalls an denselben Prüfkörpern ermittelt. Alle getesteten CAD/CAM-Restaurationsmaterialien zeigten ein sprödes Bruchverhalten, allerdings variierten sowohl die Martenshärte als auch die Kantenbruchstabilität von Material zu Material. Die Glaskeramik (Kontrollgruppe) zeigte die höchsten Werte für die Martenshärte gefolgt vom Hybridmaterial, das aus interpenetrierenden Keramik- und Polymernetzwerken besteht. Die Kantenbruchstabilitätswerte zeigten eine gegensätzliche Rangfolge der Materialien, wobei die Komposite die höchsten Werte zeigten. Die Alterung durch thermische Wechselbeanspruchung beeinflusste alle Materialien. Besonders ausgeprägt war die Änderung der Kantenbruchstabilität bei den CAD/CAM-Kompositen. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass die Materialien teilweise ein sehr unterschiedliches Verhalten zeigen, obwohl sie für dieselbe Anwendung und gleiche Indikationen freigegeben sind. Weiterführende Untersuchungen sind empfehlenswert, um die Leistungsfähigkeit in der klinischen Anwendung besser abschätzen zu können. Neben den mechanischen Eigenschaften und dem Bruchverhalten sind auch Aspekte wie optische Eigenschaften, Verschleißverhalten und Befestigungsmöglichkeiten für eine umfassende Bewertung zu beleuchten.

Abstract

The investigations carried out have helped to gain further insight into the aging behavior of dental CAD / CAM materials. In addition to methods for the quantification of specific properties and their change by aging, qualitative methods were applied. The methods used were suitable for determining mechanical properties and the fracture behavior of different material classes. It was also revealed that the materials are affected by aging to varying degrees. CAD / CAM materials with a polymeric content are more prone to aging effects than ceramic materials. In the first study, Martens hardness and the indentation modulus were analyzed. Both properties are determined on the surface of the material and are therefore particularly indicative for an assessment of extrinsic influences on the material. To investigate slow diffusion-controlled aging processes, the materials were subjected to long-term storage in water at elevated temperatures before being subjected to thermal cycling. Martens hardness and indentation modulus were very different among the materials and dependent on the material class. Neither the tested hybrid material nor the composites achieved the high value level of the ceramics – neither initially nor after aging. It turned out that all materials with a polymer content were mechanically weakened by water storage. Martens hardness and indentation modulus values dropped after one month of water storage and were stable afterwards. This indicates a saturation of water absorption close to the surface. Some materials were particularly sensitive to the subsequent thermal cycling and showed lower Martens hardness and indentation modulus values. For the second study, a fracture mechanics approach was chosen since all CAD / CAM materials tested were brittle materials whose mechanical performance is better characterized by fracture behavior than strength values. The fracture toughness was determined using the SEVNB method of the linear elastic fracture mechanics concept. The quantitative analysis was supplemented with qualitative fracture analyzes. The determined fracture toughness was typical for each material class. With one exception, the fracture toughness of all materials containing polymers decreased after aging due to thermal cycling. In contrast, both glass ceramics – lithium disilicate ceramic and leucite-reinforced glass ceramic – showed a constant behavior before and after aging. The selection of a suitable restorative material based on fracture behavior is critical to the marginal integrity of a restoration. For dental CAD / CAM restorative materials, little information on edge stability is available. Therefore, in the third study, the edge chipping resistance was chosen as a simple method for determining the fracture behavior. For the first time, the Martens hardness device was used for this kind of measurement. The method applied with the Martens hardness device has been developed upfront for the study. The examinations were supplemented with fracture surface analyzes. Martens hardness was also determined on the same test specimens. All tested CAD / CAM materials showed a brittle fracture behavior, however Martens hardness and edge chipping resistance varied between the materials. The glass-ceramic (control group) showed the highest Martens hardness values followed by the hybrid material, which consists of interpenetrating ceramic and polymer networks. The edge chipping resistance values showed an opposite ranking of the materials, with the composites showing the highest values. Aging by thermal cycling affected all materials. Particularly pronounced was the change of edge chipping resistance for the group of CAD / CAM composites. Although they are released for the same application and the same indications, the results of the studies reveal that the materials sometimes behave differently. Further investigations are recommended in order to enhance the predictability of the material’s performance in the clinical environment. In addition to the mechanical properties and the fracture behavior, aspects such as optical properties, wear behavior and cementation options should also be considered for a comprehensive evaluation.