Bewertung des Belastungs- und Verformungsverhaltens ausgewählter PEEK- Compounds für zahnärztliche Anwendungen

Abstract

Das Polyetheretherketon (PEEK) ist ein Kunststoff mit außergewöhnlichen mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschafften, der zuerst Verwendung in der Raumfahrtindustrie fand. Er verbreitet sich seitdem zunehmend nicht nur in vielen Industriezweigen, sondern seit 1991 mit der FDA-Zulassung auch im medizinischen Bereich. Besonders auf dem Gebiet der Orthopädie (z. B. Wirbelsäulenimplantate) verdrängt es das steife Metall Titan inzwischen fast vollständig. Hingegen ist PEEK in der Zahnmedizin kaum gebräuchlich, obwohl die dort verwendeten Materialien Titan, Keramiken und Kunststoffe jeweils mit Problemen behaftet sind. Bei den Implantaten aus Titan ist das Hauptproblem der Stress-Shielding-Effekt und die Gefahr allergischer Reaktionen, während die zierlichen Keramikimplantate unter Druck zu leicht brechen. Ziel dieser Arbeit war die Evaluierung verschiedener PEEK-Materialien hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz in der Zahnmedizin. Die zentrale Frage war, ob diese in der Lage wären, die Anforderungen an das ideale Implantat - ohne die oben genannten Nachteile - zu erfüllen. Im Vergleich der von den Autoren in den mechanischen Versuchen ermittelten Daten mit den von den Herstellern angegebenen mechanischen Kennwerten sollten die Vor- und Nachteile jedes PEEK- Materials erörtert werden. Zusätzlich sollte der Einfluß einer Inkubation von bis zu drei Monaten in Ringer-Lösung bei 37 °C vor der Messung auf die mechanischen Eigenschaften beurteilt werden. Von 11 PEEK-Materialien und PEEK- Compounds mit unterschiedlichen Füllstoffen wurden 664 Prüfkörper (Zylinder und Bälkchen) gefertigt. Mit der Zwick-Universalprüfmaschine wurden in Druck- und Biegeversuchen die folgenden Daten ermittelt und statistisch ausgewertet: E-Modul, Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Elastizitätsgrenze. Diese Werte der PEEK-Materialien und Compounds wurden miteinander verglichen und beurteilt. Alle untersuchten Materialien erwiesen sich als geeignet für den Einsatz in dentalen Implantaten; sie erfüllten alle die ISO Norm 1567. Der Einfluß einer Inkubation auf die mechanischen Eigenschaften ist zu vernachlässigen. Die größten Vorteile von PEEK gegenüber Titan sind der ausbleibende Stress-shielding Effekt, die Röntgenopaleszenz, seine Biokompatibilität und ein dem Knochen ähnlicher E-Modul. Die Möglichkeit, den E-Modul durch Einsatz verschiedener Pulver, Glasfasern oder Kohlefasern an die individuellen Erfordernisse anzupassen, macht PEEK zu einem sehr vielversprechenden Ersatz für die bisher in der Zahnmedizin verwendeten Materialien.

Polyetheretherketon (PEEK) is a polymer with extraordinary mechanical, chemical and thermical properties, which was at first used in the aerospace industry. It becomes more and more popular, not only in many branches of industry but since 1991 with the FDA approval in the medical science as well. Especially in orthopedics (e.g. intervertebral fusion cages) it supersedes the stiff metal titanium in the meantime almost completely. In dental medicine instead it is not common although the known materials titanium, ceramics and synthetics are each afflicted with disadvantages. The main difficulty with titanium is the stress-shielding effect and the potential of allergic reactions, while the fragile ceramics break too easily under pressure. The aim of this study was to evaluate different PEEK-materials for their suitibility to be used in dentistry. The central question was, if they could fullfill the requirements for the ideal implantate without the disadvantages named below. By comparing the mechanical values given by the companies with data raised by the authors in the mechanical tests benefits and disadvantages for each PEAK material should be discussed. In addition the influence of incubation on the mechanical properties up to three month in ringer solution at 37 °C before measuring should be evalutated, too. From 11 materials of PEEK and PEEK compounds with different fillings 664 specimens (cylindric and rectangular) have been made. With the Zwick material tests machine the following data were captured in tensile and flexure tests and processed statistically: Youngs modulus, compressive strength, tensile strength and elastic limit. These values from PEEK and PEEK-Compounds with different powders and fibres have been compared and discussed. All tested materials were suitable to be used in dental implants; they fullfilled the ISO-Norm 1567. The effect of incubation on the mechanical properties is negliable. The main advantage from PEEK over titanium is the missing stress-shielding effect, its opalescence in radiology, its biocompatibility and the Youngs modulus similiar to that of the bone. The possibility to adjust the Youngs modulus to the individual requirements by using different compounds as powder, fibreglass or carbon-fibre makes PEEK very promising to replace the known materials in dental medicine, too.