Validierung von Mindestschichtstärken (okklusal, axial, marginal) der Zirkonoxidkeramik KATANA™ unter Berücksichtigung ihrer Transluzenz für den Einsatz substanzschonender Präparation

Abstract

Der Trend bei Dentalkeramiken aus Zirkoniumdioxid geht weiter in Richtung monolithische Restaurationen mit einem Farbschichtverlauf und einer Transluzenz, die das Aussehen eines Zahnes originalgetreu widerspiegeln sollen. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Multi Layer Keramiken der Marke KATANA™ unter Berücksichtigung ihres Yttriumoxidgehaltes und der Transluzenz auf ihre Biegefestigkeiten und kritische Risszähigkeiten geprüft. Bei den drei Keramiken handelt es sich um eine 3Y-TZP (Multi Layer), eine 4Y-TZP (Super Translucent Multi Layer) und eine 5Y-TZP (Ultra Translucent Multi Layer) Keramik. Sie werden in 0,4 mm, 0,8 mm und 1,2 mm [H] x 2,4 mm [B] x 12 mm [L] Prüfkörper (n = 15) gesägt, die einmal quer zur Farbschichtung und einmal parallel dazu, in jeweils einer der vier Farbschichten verlaufen. Sie werden mit der Universalprüfmaschine im Drei-Punkt-Biegeversuch auf ihre Biegefestigkeit getestet, der Weibull-Modul und die charakteristische Weibullfestigkeit errechnet und durch Vickers-Härteprüfung die kritische Risszähigkeit mit der Formel nach Anstis modifiziert von Munz/Fett, zum einen mit dem für Zirkoniumdioxidkeramiken tabellarisch festgelegten E-Modul von 210 GPa und zum anderen mit dem während der Drei-Punkt-Biegeprüfung gemessenen E-Modul, errechnet. Die Ergebnisse zeigen die höchsten mittleren Biegefestigkeiten der drei Keramiken bei den quer gesägten Prüfkörpern in 0,8 mm Schichtstärke in folgender Reihenfolge: 3Y-TZP (ML: 761,13 ± 67,35 MPa) > 4Y-TZP (STML: 414,27 ± 80,41MPa) > 5Y-TZP (UTML: 253,44 ± 41,32 MPa). Des Weiteren resultieren niedrigere Biegefestigkeits- sowie Risszähigkeitswerte in den beiden transluzenteren Schichten (Layer 1 und 2) der parallel gesägten Prüfkörper, jedoch in geringem Maße, sodass es statistisch nicht signifikant erscheint. In einer weiteren Versuchsreihe werden aus der ML, STML und UTML Keramik Gerüste in 0,4 mm Schichtstärke sowie vollanatomische Kronen mit 0,4 mm, 0,8 mm und 1,2 mm Wandstärken in einem Drucktest auf ihre Festigkeit hin überprüft und die Ergebnisse mit denen der Prüfkörper aus der ersten Versuchsreihe verglichen. Es zeigt sich, dass die Zirkoniumdioxidkeramiken mit einem höheren Yttriumoxidgehalt, besonders die 4Y- und 5Y-TZP Keramiken um 50 - 75 % geringere Festigkeitswerte aufweisen als die opaken Zirkoniumdioxidkeramiken mit 3 Mol% Yttriumoxid-Dotierung und weniger. Dabei führen die Ergebnisse aus Biege-, Druckfestigkeit, Härtemessung und KIc-Wert Bestimmung für alle drei Keramiken zu dem Schluss, dass unter Einhaltung einer Mindestschichtstärke von 0,8 mm zahnsubstanzschonend präpariert werden kann. Die Studie verdeutlicht, wie wichtig eine genaue Indikationseinschränkung für die jeweilige Zirkoniumdioxidkeramik ist, denn mit höherer Transluzenz reduzieren sich die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und kritische Risszähigkeit von 3Y- über 4Y- zu 5Y-TZP Keramiken.

Recent trends in zirconium dioxide dental ceramics develop towards monolithic restorations with physical properties, such as colour and translucency, imitating natural teeth. This study investigates the effect of yttrium oxide content and translucency on flexural strength and fracture toughness of three different monolithic multi-layer KATANA™ ceramics: 3Y-TZP (Multi-Layer), 4Y-TZP (Super Translucent Multi-Layer) and 5Y-TZP (Ultra Translucent Multi-Layer). They are cut into 0.4, 0.8, and 1.2 mm [h] x 2.4 mm [w] x 12 mm [l] specimen blocks, with the sawing direction once perpendicular and once parallel to their lamination direction. Specimens (n = 15) are tested in a universal testing machine for three-point bending strength. Critical fracture load is recorded in Newton, flexural strength, Weibull modulus and Weibull characteristic strength were then calculated. Fracture toughness (KIc) is measured by using the Vickers Indentation technique and calculated by using the equation of Anstis modified by Munz/Fett with once the elastic modulus of 210 GPa (given for zirconium dioxide dental ceramics) and once by using the measured elastic modulus resulting from the three-point bending test. The results for the perpendicularly cut samples of 0.8 mm thickness show the highest mean values in flexural strength in the following sequence: 3Y-TZP (ML: 761.13 ± 67.35 MPa) > 4Y-TZP (STML: 414.27 ± 80.41 MPa) > 5Y-TZP (UTML: 253.44 ± 41.32 MPa). Furthermore, the specimens cut parallel to the lamination direction of the higher translucent layers 1 and 2 show lower flexural strength and fracture toughness than the other layers 3 and 4, albeit the results are not statistically significant. In another test series ML, STML and UTML ceramic frameworks with 0.4 mm layer thickness as well as anatomical crowns with 0.4, 0.8, and 1.2 mm wall thickness are investigated for their fracture loads and then compared with the results of the first tested specimens. Zirconium dioxide ceramics with higher yttrium oxide content, especially the 4Y- and 5Y-TZP ceramics, show 50 – 75 % lower fracture loads compared to zirconium dioxide ceramics with 3 mol% or less yttrium oxide. The flexural strength, fracture loads, Vickers hardness and KIc results of all three ceramics lead to conclusion that under the maintenance of minimum layer thickness of 0.8 mm a tooth-conserving preparation is possible. The study shows that an accurate indication of each zirconium dioxide ceramic is of upmost importance, given that the higher the translucency, the lower the mechanical properties of the ceramic.