Einsatz der Speckle-Interferometrie für die Bewertung des Spannungs- und Verformungsverhaltens zur materialabhängigen Gestaltoptimierung prothetischer Konstruktionen

Abstract

Mit der Einführung der ersten CAD/CAM-Systeme in die moderne Zahnmedizin nimmt die Verbreitung dieser Systeme stetig zu. Diese fortwährend weiterentwickelten Systeme erschließen dabei ein immer breiteres Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten. Mit den ZrO2-Keramiken, welche überragende Materialeigenschaften aufweisen und nur mit CAD/CAM-Systemen optimal zu bearbeiten sind, hat sich die Entwicklung und Verbreitung dieser Technologie wesentlich beschleunigt. Trotz der Einführung neuer Keramikwerkstoffe und Bearbeitungstechnologien sind die Frakturprobleme von mehrgliedrigen Seitenzahnbrücken aus Vollkeramik nicht gelöst. Das Ziel, weitspannige Vollkeramikbrücken herzustellen, welche nachweisbar eine hinreichend lange Funktionsperiode in der Mundhöhle garantieren, ist bislang noch nicht erreicht worden. Wie klinische und experimentelle Untersuchungen zeigen, neigen Vollkeramikbrücken besonders im Seitenzahnbereich zu Frakturen. Verantwortlich dafür sind neben Abscherungen der Verblendkeramik überwiegend unterdimensionierte Verbinderquerschnitte und zu geringe Gerüststärken. Auch hat die Gestaltung der Verbinderübergänge einen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit. Bislang erfolgt die CAD-basierte Konstruktion ausschließlich unter der Verwendung von systemspezifisch vorgegebenen Abmessungen für die Gerüst- und Verbindergestaltung, welche auf klinischen Studien von durchschnittlichen Patientenfällen und werkstoffkundlichen Untersuchungen basieren. Erst die Implementierung von FE-Algorithmen in die CAD-Tools der Konstruktionsprogramme ermöglicht eine Gestaltung der Brückengerüste, welche unter Einbeziehung der vorhandenen Platzverhältnisse kaulastabhängig optimiert werden können. Damit eröffnet sich nun die Möglichkeit, individualisierten Zahnersatz mit einer ausreichend langen Funktionsdauer herzustellen, der an die zu erwartenden Kaulastverhältnisse angepasst ist. Zusätzlich können Über- und Unterdimensionierungen der Gerüste vermieden und Material eingespart werden. Das mit Hilfe der FE-integrierten CAD-Konstruktionssoftware optimierte Brückengerüstdesign kann anschließend mit sehr hoher Präzision in den Werkstoff überführt werden. Voraussetzung dafür sind allerdings funktionierende FE-Modelle. Ziel dieser Arbeit war es zu zeigen, dass die 3D- ESPI-Messmethode besonders dafür geeignet ist, das belastungsabhängige Verformungsverhalten von Brückengerüsten aus unterschiedlichen Materialien mit sehr hoher Präzision zu vermessen. Mit dem Messsystem konnten selbst die sehr geringen Verformungen von ZrO2-Keramiken vermessen werden. Zusätzlich wurden die Zusammenhänge zwischen der Verbinderdimensionierung und dem Verformungsverhalten in Hinblick auf die Gerüstdurchbiegung dargestellt, sowie der Einfluss der Pfeilerbeweglichkeit auf die Gerüstverformung mit Hilfe unterschiedlicher Versuchsanordnungen analysiert. Die so gewonnenen Messergebnisse sollen als Grundlage für die Anpassung der variablen Modellparameter der FE-Berechnung an die gemessene und damit reale Verformungssituation dienen. Am günstigsten für die Vermessung der Verformungen erwies sich dabei eine Versuchsanordnung, bei der die Zahnpfeiler starr fixiert sind. Andere ausgewählte Versuchsanordnungen, wie die der flexibel gelagerten Zahnpfeiler, führen zu Verformungsbildern, die nachweisbar von den Messbildern der starren Pfeilerlagerung abweichen. Es konnte gezeigt werden , dass mit dem 3D-ESPI-Messsystem Verformungen von Zahnbrücken aus den verschiedensten Materialien und mit unterschiedlichen Abmessungen mit hoher Genauigkeit vermessen werden können. Diese Messergebnisse lieferten die Grundlage für die Anpassung der variablen FE-Parameter und damit auch für die Verbesserung der Genauigkeit der FE-Berechnung. Nach der Anpassung der variablen FE-Parameter (Querkontraktionszahl n, E-Modul) konnte eine sehr gute Übereinstimmung der FE-Ergebnisse mit den experimentell bestimmten Verformungsverhalten erzielt werden. Hierfür wurden die Verformungsbilder eines auf den Pfeilerzähnen starr fixierten dreigliedrigen PEEK-Brückengerüsts genutzt., auch wenn es eine vereinfachte klinische Situation darstellt. Auf einen Vergleich der FE-Ergebnisse mit den 3D-ESPI-Messergebnissen in der Modellannahme mit einer flexiblen Pfeilerlagerung wurde aus Gründen der Modellkomplexität verzichtet. In weiteren Studien muss jedoch geklärt werden, inwieweit die FE-Ergebnisse mit den gemessenen Verformungsbildern im Modell der flexiblen Pfeilerlagerung übereinstimmen. Es zeigte sich, dass die Größe der Pfeilerbeweglichkeit (starr, flexibel, Dreipunktbiegeversuch) einen entscheidenden Einfluss auf das Verformungsbild und damit auf die Festigkeit hat. Zukünftig wird angestrebt, dass FE-Programme direkt auf die vom ESPI- System experimentell bestimmten Messwerte zugreifen können, um einen direkten Vergleich der experimentellen Messergebnisse mit den Berechnungsergebnissen über eine gemeinsame Schnittstelle zu ermöglichen. Es konnte so ein erster Schritt in Richtung der Verknüpfung von experimentell bestimmten Verformungsdaten mit FE-Analysen zur Gestaltoptimierung von dentalen Konstruktionen gemacht und die Möglichkeiten, aber auch noch existierenden Grenzen aufgezeigt werden.

Since the introduction of the first CAD/CAM systems in modern dentistry they have been spreading persistently. As these systems are continuously enhanced, an ever-widening spectrum of applications are opened for them. With ZrO2 ceramics, which exhibit outstanding materials properties and can only be processed optimally using CAD/CAM systems, the development and spread of these technologies has been considerably accelerated. Despite the introduction of new ceramic materials and processing technologies, fracturing problems with lateral multi-part all-ceramic dental bridges have not been solved. The production of wide-span, all-ceramic dental bridges, which have proven to guarantee sufficient longevity in the oral cavity, so far remains unachieved. As clinical and experimental studies have shown, all-ceramic dental bridges are fracture-prone particularly in the lateral tooth area. These fractures are caused mainly by the shearing of the ceramic sheathing, by undersized connector cross-sections and by frameworks without enough strength. The design of the connector junctions also has a significant influence on the strength. Up to now CAD-based design is carried out solely using predefined, system- specific dimensions for the frameworks and the connectors which are based on clinical studies of average patient cases and on material studies. Only the implementation of FE algorithms within the CAD tools of the design programs make the design of bridge frameworks possible which can be opitimized considering the available space depending on occlusal forces. In this way it becomes possible to manufacture personalized dentures with sufficient longevity adapted to the expected occlusal force relationships. Furthermore undersizing and oversizing of the frameworks can be avoided and material can be saved. The bridge framework design optimized using CAD software integrated with FE capability can then be transferred to the material with very high precision – provided that there are working FE models. It was the goal of this study to demonstrate that the 3D ESPI measuring method is especially well- suited to very highly precise measurement of the stress-dependent deformation behaviour of bridge frameworks made of different materials. The measuring system was able to measure even the very small deformations of ZrO2 ceramics. In addition the relationship between the connector dimensioning and the deformation behaviour with regard to the bending of the framework were shown, and the influence of abutment tooth motility on the deformation of the framework was analyzed by means of different test arrangements. The measurements obtained in this way should serve as a basis for adjusting the variable modelling parameters of the FE computation to the measured, i.e. real, deformation situation. The most favourable test arrangement for the measurment of the deformations proved to be one where the abutments were rigidly fixed. Other selected test arrangements – like one with flexibly mounted abutments – lead to deformation patterns deviating demonstrably from the measurement patterns for the rigid fixation of the abutments. It could be shown shown that deformations of dental bridges with different dimensioning and made of various materials can be measured with high precision using the 3D ESPI measuring system. These measurement results provided the basis for adjusting the variable FE parameters and thus for improving the accuracy of the FE computation as well. After adjusting the variable FE parameters (Poisson's ratio n, E modulus), it was possible to acheive very good correlation with the experimentally determined deformation behaviour. For this purpose the deformation patterns of a three-part PEEK bridge framework rigidly fixed on the abutment teeth were used, although this represents a simplfied clinical situation. For now no comparison between the FE results and the 3D ESPI measurement results assuming a model with flexibly mounted abutments has been carried out for reasons of model complexity. Yet further studies are necessary to clarify to what extent the FE results are in accordance with the measured deformation patterns for the model with flexibly mounted abutments. It was shown that the extent of the abutment motility (rigid, flexible, three- point bending test) has a decided influence on the deformation pattern and thus on the strength. In the future the goal is that FE programs should be able to directly access the measurement results determined experimentally by the ESPI system to allow a direct comparison between the experimental measurement results and the computation results over a common interface. For now it has been possible to take a first step towards linking experimentally determined deformation data with FE analyses for the purpose of design optimization of dental constructs. Possibilities have been pointed out – but also limitations which still remain.