Technologische Entwicklung und Materialermüdung

Eine Untersuchung über die Eigenschaften von Gusseisen im Jahr 1822 gilt als Geburtsstunde der Materialforschung. Mit zunehmender Industrialisierung und Entwicklung neuer Techniken ereigneten immer wieder teils spektakuläre Unfälle, die im Nachhinein analysiert wurden.

Im Flugzeugbau wurden früher Aluminiumbleche mit tausenden von Bohrungen und Nieten zusammengefügt. Jede Bohrung schwächte das Material und konnte Anfangspunkt von Rissbildung sein. Risse können katastrophale Folgen haben - im Großen wie im Kleinen:

In den 1950er Jahren kam es beim ersten Passagierdüsenflugzeug DeHavilland Comet mehrfach dazu, dass ganze Rümpfe in der Luft zerbrachen. Die aufwändigen Unfallanalysen brachten wesentliche Fortschritte in der Erforschung von Materialermüdung und führten zu verbesserten Konstruktionsprinzipien. Das Eisenbahnunglück von Eschede 1998 geht auf Materialermüdung zurück, ebenso der Einsturz der Morandibrücke in Genua 2018 und viele weitere bekannte Unglücksfälle.

  • Planung unter Sicherheitsaspekten mit Reserven,
  • fachgerechte, qualitätsorientierte Bauausführung,
  • zweckkonforme Nutzung,
  • angemessene Sicherheitskontrollen im laufenden Betrieb und
  • rechtzeitige angemessene Instandhaltung zur Eindämmung von Alterungserscheinungen

sind die Grundlagen langfristig erfolgreicher Projekte -

Materialermüdung in der Zahnmedizin

In der Zahnmedizin „bröckelten“ - scheinbar schicksalhaft - viele Jahrzehnte lang regelmäßig Füllungen, Zahnkanten, Schneidekanten, Höckerteile und ganze Zahnwände ab. Ganze Füllungen brachen heraus. Viele Kronen lösten sich oder brachen mitsamt dem Zahnstumpf ab. Es fehlte an einer dauerhaften Klebeverbindung zwischen Zahnsubstanz und dem Ersatzmaterial.

Bohrungen, Kerben, Rillen, Stifte usw. konnten zwar eine einstweilige Verbindung von Füllungen und Kronen mit dem Zahn herstellen. Auf lange Sicht stellte Materialermüdung sowohl für Füllungen, Kronen und Brücken als auch für die Zahnsubstanz selbst ein gravierendes Problem dar. Millionen verlorene Zähne gehen auf das Konto nicht eingeplanter oder nicht erkannter Materialermüdung. Ungleichmäßige Kraftverteilung z.B. mit Druckspitzen ist Ursache der Rissbildung - im Großen wie im Kleinen.

Klebetechnik

Heute wird z.B. beim Airbus A380 das gesamte riesige Heckleitwerk geklebt - ohne eine einzige Bohrung.  Das Klebe-Ergebnis ist deutlich stabiler, homogener, leichter und glatter als die genieteten Vorläufer-, zudem viel weniger anfällig für Rissbildung durch Materialermüdung.

Auch in der Zahnmedizin ist das Kleben angekommen. Seit 1995 sind vollflächige Klebungen an Zahnschmelz und Zahnbein, also an allen Anteilen der gesamten Zahnsubstanz möglich und in unserer Praxis Routine.

Klebetechniken haben in den letzten Jahrzehnten entscheidende Verbesserungen für die Zahnerhaltung ermöglicht. Bohren, Schrauben, Rillen schleifen, bloß um etwas am Zahn zu verankern - all das schwächte früher Zähne, erhöhte die Bruchgefahr und ist heute überholt. Mit Klebetechnik eröffnen sich völlig neue, langlebigere und schonendere Möglichkeiten der Zahnerhaltung. Siehe auch Historie von Kofferdam.

Geklebt werden können heute Kunststoffe, Keramiken und Metalle - untereinander und an menschlichem Zahnschmelz sowie an Zahnbein (=Dentin). Die Verbundfestigkeiten an den Grenzflächen der Klebung erreichen heute Werte von 10 bis 20 KP/mm² Klebefläche, also nahe an der strukturellen Festigkeit der Zahnsubstanz. Auf einem Quadratzentimeter Klebefläche können somit mehr als 1000 KP Kraft übertragen werden. Die Klebekräfte sind, auf die Fläche bezogen, in der Zahnmedizin etwa vergleichbar mit denen des Flugzeugbaus - nur die Dimensionen sind kleiner.

Um einen vollbeladenen LKW-Sattelzug mit 40 Tonnen Gewicht zu heben, genügt eine Klebefläche von Handtellergröße.

Fehlende Zahnsubstanz kann daher heute so ersetzt werden, dass der reparierte Zahn nahezu die Festigkeit eines gesunden Zahnes erreicht. Spitzenkräfte von 300 KP können an Kaumuskeln gemessen werden, und gesunde Zähne halten dem stand.

Kleben am Zahnschmelz

Zahnschmelzstruktur

Normaler Zahnschmelz hat eine sehr harte, dichte und glatte Oberfläche. Zahnschmelz bildet die Oberfläche der Zahnkrone und ist eine kostbare unwiederbringliche Substanz: Nach dem Zahndurchbruch kann kein neuer Schmelz mehr gebildet werden.  Zu etwa 10% besteht der Zahn aus Zahnschmelz. Die Schichtdicke beträgt bis zu 3 mm auf den Höckern, verjüngt sich fortlaufend bis zum Rand in Zahnfleischnähe und läuft dort dünn aus. Zu 97 Gewichtsprozent besteht Zahnschmelz aus Hydroxylapatit-Kristallen in einer ganz spezifischen, bisher im Labor nicht kopierbaren Anordnung. Dazu kommen 2% Eiweiß als Bindemittel und 1% Wasser. Zahnschmelz ist auf der 10-stufigen Härteskala nach Mohs mit Härte 7 eingeordnet, zwischen dem Rekordhalter Diamant mit Härte 10 und Glas mit Härte 5.

Kunststoffe haften kaum an normalem Zahnschmelz. Das Kleben verlangt folgende Schritte:

  • 30 Sek. ätzen
  • 30 Sek. abspülen
  • Sorgfältig trocknen – danach erscheint der Schmelz kreidig
  • Haftvermittler auftragen und dünn verblasen, aushärten mit Licht
  • Auftragen und Formen des Kompositmaterials, erneutes Aushärten mit Licht, ggf. in mehreren Schichten

Gut geätzter Schmelz präsentiert sich unter dem Mikroskop in einer Zone von etwa 10µm Schichtstärke als extrem zerklüftete, geradezu alpine Landschaft mit Bergen und Schluchten, die gegenüber dem unbehandelten Schmelz eine Oberflächenvergrößerung um den Faktor 1000 ergeben. Längeres Ätzen ebnet das Ätzmuster vollständig ein und vermindert die Haftkraft. Das Ätzmuster entsteht, weil Zentrum und Peripherie der Schmelzkristalle unterschiedlich schnell angelöst werden.

Dünnflüssige Haftvermittler-Kunststoffe (auch "Bonding" genannt) füllen beim Auftragen durch die Kapillarkraft diese winzigen Spalten aus. Überschüsse werden verblasen und abgesaugt. Blaues Licht aktiviert über einen Katalysator die Aushärtung des Haftvermittler-Kunststoffes.

Die Festigkeit der Verbindung erreicht bis zu 15 Kp je mm² entsprechend 1500 Kp je cm².

Jegliche Verunreinigung ist im gesamten Ablauf unbedingt zu vermeiden, weil weitgehender oder vollständiger Verlust der Haftung und Bildung von mikroskopischen Spalten zwischen Zahnsubstanz und Material die Folge wäre.

Kleben am Zahnbein

Dentinstruktur:

Zahnbein (=Dentin) stellt etwa 90% der gesamten Zahnsubstanz. Dentin besteht zu etwa 70% aus Hydroxylapatit, zu 20% aus Kollagen und zu 10% aus Wasser. Die Hydroxylapatit-Kristalle sind viel kleiner als im Zahnschmelz und haben eine andere Anordnung der Kristalle. Die Kristalle sind in ein komplexes dreidimensionales Geflecht von Kollagenfasern eingelagert, welches das Dentin elastisch, hart und zugleich zugfest macht. In einer Schichtstärke von 0,5 mm bis 3,5 mm umschließt das Dentin das Zahnmark (=Pulpa) im Zentrum des Zahnes. In seiner gesamten Schichtstärke ist Dentin pro mm² von ca. 40.000 geradlinigen Kanälchen mit einem Durchmesser von 2 bis 5 µm durchzogen. Jedes Kanälchen enthält den Ausläufer einer Dentin bildenden Zelle, den sogenannten Odontoblastenfortsatz. Nahezu der gesamte 10%ige Wasseranteil des Dentins entfällt auf diesen Odontoblastenfortsatz.

Die Anforderungen an Dentin-Haftvermittler sind deutlich komplexer als bei Schmelz-Haftvermittler. Der Dentin-Haftvermittler muss sich mit drei völlig unterschiedlichen und auf den ersten Blick chemisch unvereinbaren Substanzen „vertragen“: mit organischem Kollagen, mit anorganischem Hydroxylapatit und mit Wasser. In langjähriger Forschung wurde die Lösung bis 1995 erarbeitet.

Dentin wird für die Klebung wie Zahnschmelz geätzt, jedoch nur 15 bis 20 Sekunden, dann gespült und getrocknet. Dabei

  • vergrößern sich die Dentinkanälchen,
  • und werden Kollagenfasern aus den Mineralien teilweise freigelegt, bleiben aber im Dentin verankert.

Der Haftvermittler auf Kunststoffbasis umfließt die Kollagenfasern und bindet sich chemisch daran, zugleich fließt er in die Dentinkanälchen. Es folgt die Lichthärtung. Die Belastbarkeit der Klebeverbindung ist ähnlich gut wie am Zahnschmelz.

Oberflächenvorbereitung zum Kleben mit Kofferdam

Die Verarbeitungsanleitungen aller Hersteller von Klebern geben Sauberkeit und Trockenheit der Klebeflächen vor. Nicht immer wird Kofferdam ausdrücklich erwähnt, wohl deshalb, weil Trockenheit - aus der Perspektive eines Labors betrachtet - eine Selbstverständlichkeit ist.

Jede Klebung verlangt eine Oberflächenvorbereitung (=Konditionierung) und sodann unmittelbaren, ungestörten Kontakt des Klebers mit der Zahnsubstanz sowie ein penibles Einhalten aller vom Hersteller des Klebers vorgegebenen Verarbeitungsschritte. Die Verbundzone hat eine Schichtstärke von nur etwa 10 bis 30 µm. Diese Verbundzone ist bei korrekter Klebung über Jahrzehnte keimdicht und stabil gegenüber den Einflüssen der Mundhöhle. In den Minuten der Herstellung hingegen ist die Verbundzone äußerst sensibel und verlangt ein hohes Maß an Sorgfalt und Präzision, Disziplin und Routine.

Die Konditionierung der Zahnoberflächen und die Verarbeitung des Klebers erfordert extrem saubere Oberflächen, Instrumente und Materialien. Am gezogenen Zahn im Labor funktioniert die Klebung hervorragend. Im Mund sind die Bedingungen weniger ideal.
 
Lupenbrillen ab einer Vergrößerung von 5,0 aufwärts und noch besser das Operationsmikroskop erlauben - anders als das bloße Auge - eine hinreichend genaue Beurteilung der zu klebenden Flächen.
Korrekt angelegter Kofferdam

  • sichert absolute Trockenheit gegenüber allen Quellen von Feuchtigkeit unter allen Umständen, auch bei extremem Speichelfluss, bei entzündetem Zahnfleisch mit Absonderung von Blut oder Sekret, bei unwillkürlichen Bewegungen, sogar beim Schlucken, beim Niesen oder Husten oder bei ganz menschlichen Bedürfnissen mitten in der Behandlung
  • sichert saubere Oberflächen, wie eine korrekte Verarbeitung der Materialien sie erfordert
  • verdrängt das Zahnfleisch vorübergehend so, dass der zahnfleischnahe Füllungsrand sichtbar, kontrollierbar und einer Formung, Politur und Kontrolle zugänglich wird
  • schützt das Zahnfleisch vor Verletzungen
  • erspart das Austrocknen der Schleimhäute, welches der Sauger verursacht

Kleben ohne Kofferdam?

Beim Ausatmen schlägt sich auf einem vor den Mund gehaltenen Spiegel ein dünner Film aus Wasser sichtbar nieder:

Ein gleichartiger Wasserfilm befindet sich ständig auf allen Zahnoberflächen bei jedem Patienten während jeder zahnärztlichen Behandlung. Kleinste, für das Auge unsichtbare Verunreinigungen der konditionierten Oberfläche verhindern die Klebung.

Gelangt Speichel auf eine konditionierte Zahnoberfläche, so besetzen im Speichel gelöste Eiweißstoffe die Bindungsstellen und heften sich dort beinahe so fest wie der Kleber an. Mit Abspülen und Trocknen lassen sie sich nicht entfernen. Der Kleber erreicht die für ihn vorbereitete Fläche somit gar nicht mehr und verliert schon in Sekundenbruchteilen der Verunreinigung über 90% seiner Klebekraft. Ebenso alltäglich wie Speichel sind in der Füllungstherapie - wenn auch oft nur in mikroskopischer Menge

  • aus der gesunden Zahnfleischfurche hervor sickernde physiologische Gewebsflüssigkeit,
  • aus der entzündeten Zahnfleischfurche reichlich fließende Entzündungs-Sekrete,
  • Blut aus entzündeten Zahnfleischtaschen,
  • Zahnfleisch-Blutungen in Nachbarschaft kariöser Zahnoberflächen und
  • versehentlich vom Zahnarzt am Zahnfleischsaum ausgelösten Blutungen.

Alle Verunreinigungen verhindern den Klebevorgang, auch wenn die aufgeschwemmte Menge für das bloße Auge unsichtbar klein ist. Würde nach der Verunreinigung nun Kleber und Füllmaterial aufgebracht, so bleibt der Kontakt mit der Zahnsubstanz aus. Es besteht ein mikroskopischer Spalt. Bakterien und andere Mikroorganismen können hier eindringen.

Für eine korrekte Klebung muss die verunreinigte Fläche komplett neu mit Wasserkühlung angeschliffen, neu trockengelegt und neu konditioniert werden.
Jedoch ist beim Arbeiten ohne Kofferdam ein erheblicher Teil der Aufmerksamkeit des Behandlers und seiner Assistenz vom Bemühen um Trockenheit absorbiert und fehlt somit bei der Konzentration auf das Wesentliche, nämlich auf die Qualität der Füllung. Fehlt entsprechende optische Vergrößerung, so ist das Risiko unbemerkter Verunreinigung der konditionierten Flächen nochmals stark erhöht.

1 cm³ Speichel enthält ca. 50.000.000 Keime. Sobald nach dem Aushärten des Füllmaterials die Watterolle entnommen wurde, saugt die Kapillarkraft Speichel und Bakterien in den Spalt. Der Grundstein für die nächste Karies ist gelegt.

Die sogenannte "relative Trockenlegung“ (sic, welch ein Euphemismus!) mit Speichelzieher und Watterollen beinhaltet somit ständig zahlreiche vermeidbare "Restrisiken", um ein geflügeltes Wort früherer Kernkraftbefürworter zu zitieren. „Relative Trockenlegung" reduziert oft die Qualität der Verbindung massiv.

Wenn nach Monaten oder Jahren die nachfolgende Füllung ansteht, werden die Bedingungen für Zahnerhalt und für den Erhalt der Vitalität der Pulpa vorhersehbar deutlich schwieriger sein als bei der Vorgänger-Füllung.

Anwendungsmöglichkeiten für Kunststoffe in Klebetechnik

  • präendodontische Aufbauten
  • postendodontische Aufbauten
  • belastbare Kunststofffüllungen auf den Kauflächen von Backenzähnen
  • Zahnhalsfüllungen
  • Reparaturfüllungen neben Inlays, Teilkronen und Kronen mit Erhalt teurer Arbeiten, die zuvor komplett erneuert werden mussten.
  • Aufbau verlorener Schneidekanten z.B: nach Unfällen
  • Höckeraufbauten
  • Aufbau von Funktionsflächen zur Verbesserung der Verzahnung und der Kaufunktion, z.B. Aufbau einer Eckzahnführung
  • (Wieder)-Aufbau ganzer Kauflächen
  • Reparatur zahnfarbener Verblendungen an zahnfarbenen Kronen, die zuvor komplett erneuert werden mussten
  • Veneers (=Verblendschalen) in einer Sitzung als substanzschonendere Alternative zu keramischen Veneers
  • Umformen von Zähnen bei Zahnmissbildungen oder Nichtanlagen, z.B. Umformen eines Zahnes in die Form des Pendants der Gegenseite
  • Verbreitern von Zähnen aus ästhetischen Gründen
  • Kleben von Einlagefüllungen und Teilkronen

Kleben bei Vollkronen

Klebetechnik für Vollkronen ist korrekterweise sehr selten möglich, weil zwischen Kronenrand und Zahnfleisch Kofferdamgummi kaum anzubringen ist. Für Vollkronen ist statt Kunststoff-Kleber ein mineralischer Zement z.B. auf Basis von Zinkoxid empfehlenswert, weil er viel weniger sensibel gegenüber Feuchtigkeit ist und ohne Kofferdam eingesetzt werden darf.

Wie Kunststoffkleber sich bei Vollkronen auswirkt, zeigen Fallbeispiele bei Kofferdam und Kronenqualität

Vorteile der Klebetechnik

Allen Klebe-Methoden gemeinsam sind folgende Vorteile:

A) Kurzfristige Vorteile

  • Die Arbeit erfolgt in einer Sitzung.
  • Laborkosten (bei Kronen oft 60% der Gesamtkosten und mehr) fallen nicht an.

B) Langfristige Vorteile

  • Es wird an vorhandene Substanz geklebt. Unwiederbringliche wertvolle Zahnsubstanz wird erhalten.
  • Der Zahn wird nicht durch Beschleifen geschwächt, sondern durch den Klebeverbund gestärkt.
  • Es gibt in der Klebetechnik die Möglichkeit, beliebig dünne Materialstärken aufzubauen, während für Kronen, Teilkronen und Inlays aus rein technischen Gründen Mindest-Materialstärken von 1,5 mm oder gar 2 mm Schichtstärke zunächst einmal weggeschliffen und geopfert werden müssen, nur um Platz für die Laborarbeit zu schaffen. (Für eine Vollkrone werden ca. 60 – 70% der gesamten Substanz der Zahnkrone entfernt.)
  • Beliebige Formen können ohne Substanzverlust hergestellt werden. Laborarbeiten unterliegen hingegen zahlreichen geometrischen Zwängen wie z.B. der - Erfordernis einer Einschubrichtung oder der Rücksichtnahme auf gekippte oder gedrehte Zahnstellungen oder auf sehr dicht daneben befindliche Nachbarzähne, die leicht versehentlich bei einer Kronenpräparation unnötig mit beschliffen und geschädigt werden können.
  • Anders als bei alternativ möglichen Überkronungen besteht nicht die Gefahr, dass ein Schleiftrauma den Verlust der Vitalität des Zahnes und die Notwendigkeit einer Wurzelbehandlung auslöst.
  • Die Arbeit ist reversibel. Sie kann jederzeit ohne Schaden für den Zahn verändert oder auch entfernt werden, z.B. bei Veränderungen der Bisslage, bei komplexen Sanierungen oder nach kieferorthopädischen Behandlungen.
  • Temperaturempfindlichkeiten durch Beschleifen wie z.B: nach Überkronung treten nicht auf, weil nicht geschliffen wird.
  • postoperative Schmerzen fallen viel geringer aus oder entfallen gänzlich.

Nachteile ohne Klebetechnik

In der Mehrzahl aller oben aufgeführten Fälle gab es vor der Einführung der Klebetechnik entweder gar keine Lösung oder nur die Möglichkeit einer Überkronung - mit folgenden Nachteilen:

A) Kurzfristige Nachteile

  • deutlich höhere Kosten
  • Verlust von Zähnen, die mit Klebetechnik erhalten werden könnten

B) Langfristige Nachteile

  • massive Substanzverluste
  • erhöhte Frakturrisiken
  • erhöhte Risiken des Vitalitätsverlustes mit nachfolgender Wurzelbehandlung
  • Fehlen eines "Plan B" im Fall des Scheiterns der Arbeit
  • Fehlen einer weiteren Option des Zahnerhaltes nach dem Scheitern der Arbeit mit der Folge Zahnverlust

Mehr siehe

Kofferdam und Füllungsqualität
Kofferdam und Kronenqualität
Der Unterschied - mit oder ohne Kofferdam

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