Vergleich dreier Verfahren zur Charakterisierung des Dämpfungsverhaltens von zahnärztlichen CAD/CAM-Materialen

Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit bestand im Vergleich dreier Prüfverfahren, die geeignet erscheinen, das Dämpfungsverhalten zahnärztlicher CAD/CAM-Materialien bei punktueller Belastung zu charakterisieren. Dazu wurde das Dämpfungsverhalten von unterschiedlichen CAD/CAM-Restaurationsmaterialien unter Anwendung der Rückprallhärte nach Leeb, der Rückprallelastizität nach Schob sowie des Verlusttangens der Dynamisch-Mechanischen Analyse untersucht und verschiedene Materialgruppen bezüglich ihrer energiedissipativen Wirkung verglichen. Zur Bestimmung aussagekräftiger Daten wurden unterschiedliche Prüfverfahren ausgewählt, welche die zu untersuchenden Materialien jeweils einer punktuellen Belastung aussetzten. Um eine gute Reproduzierbarkeit der Messdaten zu gewährleisten, wurden deshalb bereits in der Literatur bekannte und etablierte Messmethoden ausgewählt.
In der vorliegenden Arbeit wurde einleitend zunächst ein Literaturüberblick zum Thema Dämpfung im zahnmedizinischen Kontext vorgestellt und das Phänomen der Dämpfung in Anlehnung an die grundlegenden Ausführungen von LAZAN [65] beschrieben. Anschließend erfolgte die Präsentation der ausgewählten Prüfverfahren sowie der mit ihrer Hilfe ermittelten Kenngrößen. Als eine relativ bekannte Prüfgröße wurde der Verlusttangens ausgewählt, welcher üblicherweise mittels der Dynamisch-Mechanischen Analyse bestimmt wird. Diese Kenngröße ist ein Maß für die von einem Material bei der Verformung im ausschließlich linear elastischen Bereich dissipierten bzw. gedämpften Energie [29, 75, 83]. Die durch das Messprinzip bedingte zyklische Verformung des Prüfkörpers wird als sehr geeignet angesehen den menschlichen Kauzyklus zu imitieren [130]. Mit der Messung der Rückprallhärte nach Leeb und der Rückprallelastizität nach Schob wurden zwei weitere dynamische Prüfverfahren ausgewählt, welche den zu untersuchenden Prüfköper mit unterschiedlicher kinetischer Energie schlagend und punktuell belasten. Beide Prüfmethoden basieren darauf, dass die beim Rückprall des jeweiligen Schlagkörpers messbare kinetische Energie vom Prüfkörper nicht gedämpft wurde. Somit stellen Rückprallprüfverfahren ein indirektes Maß für die Dämpfungseigenschaft des untersuchten Werkstoffes dar [61]. Die schlagende Prüfsituation entspricht im klinischen Alltag dem plötzlichen und unerwarteten Biss auf einen harten Gegenstand, was im ungünstigsten Fall mit Schäden am Zahn [18] oder an einer implantatgetragenen Restauration [141] verbunden sein kann. Beide Rückprallprüfverfahren ermöglichen es deshalb auf relativ einfache Art und Weise eine aus klinischer Sicht sehr gefährliche Situation zu simulieren und charakterisieren dabei beide gleichzeitig die Dämpfungseigenschaften eines Restaurationsmaterials.
In der vorliegenden Arbeit wurden alle drei Prüfverfahren zur Prüfung von gezielt ausgewählten zahnärztlichen CAD/CAM-Restaurationsmaterialien angewendet. Mit den Materialgruppen Keramik, Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), Hybrid und Metall war es möglich einen repräsentativen Querschnitt der in der zahnärztlichen Prothetik verwendeten Materialien zu untersuchen. Für jede Prüfmethode mussten jedoch Prüfkörper mit einer jeweils speziellen Geometrie angefertigt werden. Die ermittelten Messwerte des Verlusttangens, der Rückprallhärte (Leeb) und der Rückprallelastizität (Schob) wurden in Materialgruppen zusammengefasst und unter Anwendung einer ANOVA (Analysis of Variance) untersucht. Die gesamte statistische Auswertung erfolgte mit Hilfe der Analysesoftware SPSS, (Version 26.0.0.0., IBM Corp., Armonk, NY, USA). Darüber hinaus wurde nach der jeweiligen Messung mittels eines der beiden Rückprallprüfverfahren (Leeb bzw. Schob) die Prüfkörperoberfläche speziell ausgewählter Materialien mit Hilfe der optischen Profilometrie (FRT Bildgebung) untersucht, um unterschiedliche Dämpfungsmechanismen besser interpretieren zu können.
Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit wurden jeweils signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten CAD/CAM-Materialgruppen in Bezug auf die jeweiligen Mittelwerte eines der drei unterschiedlichen Prüfverfahren festgestellt. Daher musste die Nullhypothese, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den Mittelwerten der untersuchten CAD/CAM-Materialgruppen in Bezug auf eines der drei unterschiedlichen Prüfverfahren existieren, verworfen werden. Als weiteres Ergebnis wurde festgestellt, dass die ermittelten Unterschiede zwischen den verschiedenen Materialgruppen in verschiedenartigem Ausmaß und unterschiedlicher Reihenfolge der verglichenen Gruppen auftreten. Dieser Effekt war stark abhängig von der angewandten Testmethode. Zur Klärung dieser Beobachtung wurden mögliche ursächliche Zusammenhänge zwischen der Art der jeweils messprinzipbedingten Prüfkörperbelastung und den materialimmanenten Mechanismen der Energiedissipation anhand von Literaturstellen vergleichend diskutiert. Durch die Berechnung des Bestimmtheitsmaßes wurde keine bzw. eine nur geringe Korrelation zwischen den Messergebnissen der drei verschiedenen Prüfverfahren ermittelt. Dieses bestätigt die oben diskutierten Ergebnisse. Somit belegt die vorliegende Arbeit, dass die Messbedingungen der jeweils angewendeten Messmethode in einem nicht unerheblichen Ausmaß mitbestimmen, welche der materialimmanenten Mechanismen während der Prüfkörperverformung ablaufen und welches Material daraus resultierend eine geringere oder eine größere Fähigkeit zur Dämpfung aufweist. Daher sollte eine optimal geeignete Messmethode den zu untersuchenden Prüfkörper möglichst in einer Weise belasten, welche den klinisch relevanten Bedingungen bestmöglich entspricht.
Obwohl jedes der drei untersuchten Prüfverfahren reproduzierbare Messergebnisse lieferte und das Phänomen der Dämpfung durch eine genau definierte und geeignete Kenngröße beschreibt, empfiehlt sich unter den drei vorgestellten Methoden dennoch die Rückprallhärte nach Leeb als das vermutlich sinnvollste Verfahren, um das Dämpfungsverhalten eines zahnärztlichen CAD/CAM-Restaurationsmaterials einfach, schnell und kostengünstig zu charakterisieren.