Über die Bruchzähigkeit von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-08-01
Issue Year
2022
Authors
Schürrlein, Jana
Editor
Abstract

A major goal of dental research is to improve the service life of artificial tooth replacement materials. The prosthetic use of zirconium oxide ceramics therefore requires a reliable long-term prognosis. The fracture toughness is one pa-rameter used to evaluate the mechanical properties. In this work, two options for fracture toughness optimisation are to be investigated. Firstly, whether there is a correlation between the fracture toughness in the white state (time of milling) and in the final sintered state (time after sinterfiring); secondly, whe-ther changing the sintering strategy has an influence on the fracture toughness of the materials. In this work, two options for fracture toughness optimisation should be investigated. Firstly, whether there is a correlation between the fracture toughness in the white state (time of milling) and in the final state (time after sinter firing); secondly, whether changing the sintering strategy has an influence on the fracture toughness of the materials.

Zirconia materials (TZP: tetragonal zirconia polycrystal; PSZ: partly stabilized zirconia) doped with different yttria contents (3-5 mol % Y2O3) were investigated in the test series. Ten materials from five different dental manufacturers were compared. The test was based on bar-shaped samples of two specimen geometries (geometry A and geometry B according to ASTM C1421-10 standard), which were provided with a chevron notch. Fracture toughness in the partially, conventional and speed sintered condition was determined in four-point bending tests. Elastic modulus, density and Poisson's ratio were determined on cubes with edge lengths of 10 x 9 x 8 mm3 using resonant ultrasound spectroscopy. The statistical evaluation was carried out by means of ANOVA and post hoc tests.

Conventionally sintered 3Y-TZP ceramics achieved higher fracture toughness values (~4.5 MPa√m) than 4/5Y-PSZ zirconia (~3.5/~2.5 MPa√m). Speed sintered specimens showed comparable fracture toughness values. In both, the anterior and posterior categories, Ivoclar-Vivadent products achieved the highest values (IPS e.max ZirCAD MO conventional sintered 5.08 MPa√m, speed sintered 5.00 MPa√m and IPS e.max ZirCAD MT conventional sintered 3.45 MPa√m, speed sintered 3.58 MPa√m). Testing of the materials in the partially sintered state revealed consistently low fracture toughness values of 0.43 - 0.71 MPa√m. Measurements of elastic modulus revealed sintering-induced increases of a hundredfold, while density approximately doubled for all materials (from 3.15 to 6.04 g/cm³ on average). The Poisson's ratios also increased (except for the Lava Plus and IPS e.max. ZirCAD MO materials).

The 3 mol % Y-TZP ceramics designed for the posterior region showed higher fracture toughness values than the 5 mol % Y-PSZ zirconia for the anterior region. This indicates an inverse correlation of yttria content and fracture toughness. The fracture toughness values of the speed and conventional sintered specimens hardly differed. Only the two Cercon products from Dentsply Sirona showed statistically significantly lower values after speed sintering. The speed sintering process can therefore be considered efficient for the materials investigated. The investigations on elastic modulus, density and Poisson's ratio revealed sinter-related increases. These value changes behave as expected. Differences between the sintering processes were only found with regard to the Poisson's ratio of one material. There is no direct correlation between the fracture toughness in the partially and final sintered material state. Although fracture toughness increases by 725 % during the sintering process, improvements in the current material properties are desirable in order to minimise the formation of defects in the white body during the machining process and thus increase the service life of the prosthetic restoration.

Abstract

Ein wesentliches Ziel der zahnmedizinischen Forschung ist die Verbesserung der Lebensdauer künstlicher Zahnersatzmaterialien. Der prothetische Einsatz von Zirkonoxidkeramiken erfordert eine zuverlässige Langzeitprognose. Die Bewertung mechanischer Eigenschaften erfolgt unter anderem über die Bruchzähigkeit. In dieser Arbeit sollten zwei Optionen zur Bruchzähigkeitsop-timierung untersucht werden. Zum einen, ob ein Zusammenhang zwischen der Bruchzähigkeit im Weißzustand (Zeitpunkt der Fräsbearbeitung) und im End-zustand (Zeitpunkt nach Sinterbrand) besteht; zum anderen, ob die Änderung der Sinterstrategie einen Einfluss auf die Bruchzähigkeit der Materialien hat.

In den Versuchsreihen wurden mit unterschiedlichem Yttriumoxidgehalt (3-5 Mol % Y2O3) dotierte Zirkonoxidmaterialien (TZP: tetragonal zirconia polyc-rystal; PSZ: partly stabilized zirconia) untersucht. Es wurden zehn Materialien von fünf verschiedenen Dentalherstellern verglichen. Versuchsgrundlage waren stäbchenförmige Proben zweier Probengeometrien (Geometrie A und Geometrie B nach ASTM C1421-10 Norm), die mit einer Chevron-Kerbe versehen wurden. An ihnen wurden in Vier-Punkt-Biegeversuchen die Bruchzähig-keit im vorgesinterten, konventionell- und schnellgesinterten Zustand be-stimmt. An Quadern mit den Kantenlängen 10 x 9 x 8 mm3 wurde mittels Resonanz-Ultraschallspektroskopie das Elastizitätsmodul, die Dichte und die Poissonzahl ermittelt. Die statistische Auswertung erfolgte mittels ANOVA und Post hoc-Tests.

Konventionell gesinterte 3Y-TZP Keramiken erzielten höhere Bruchzähigkeitswerte (~4,5 MPa√m) als 4/5Y-PSZ Zirkonoxide (~3,5/~2,5 MPa√m). Für schnellgesinterte Proben ergaben sich vergleichbare Bruchzähigkeitswerte. Sowohl in der Kategorie der Frontzahn- als auch der Seitenzahnkeramiken erzielten die Produkte der Firma Ivoclar-Vivadent die höchsten Werte (IPS e.max ZirCAD MO konventionell gesintert 5,08 MPa√m, schnell gesintert 5,00 MPa√m und IPS e.max ZirCAD MT konventionell gesintert 3,45 MPa√m, schnell gesintert 3,58 MPa√m). Das Testen der Materialien im vorgesinterten Zustand ergab durchwegs niedrige Bruchzähigkeitswerte von 0,43 - 0,71 MPa√m. Die Messungen des Elastizitätsmoduls ergaben sinterbedingte Steigerungen um das Hundertfache, während die Dichte sich bei allen Materialien etwa ver-doppelte (im Mittel von 3,15 auf 6,04 g/cm³). Die Poissonzahlen stiegen ebenfalls an (ausgenommen der Materialien Lava Plus und IPS e.max.ZirCAD MO).

Die für den Seitenzahnbereich konzipierten 3 Mol % Y-TZP Keramiken zeigten höhere Bruchzähigkeitswerte als die 5 Mol % Y-PSZ Zirkonoxide für den anterioren Bereich. Dies weist auf eine inverse Korrelation von Yttriumoxid-Anteil und Bruchzähigkeit hin. Die Bruchzähigkeitswerte der schnell- und konventionell gesinterten Proben unterschieden sich kaum. Einzig die beiden Cercon-Produkte der Firma Dentsply Sirona zeigten nach Schnellsintern statistisch signifikant niedrigere Werte. Das Schnellsinterverfahren kann daher für die untersuchten Materialien als effizient betrachtet werden. Die Untersuchungen zu E-Modul, Dichte und Poissonzahl ergaben sinterbedingte Steigerungen. Diese Werteänderungen verhielten sich erwartungsge-mäß. Unterschiede zwischen den Sinterverfahren zeigten sich lediglich bezüglich der Poissonzahl eines Materials. Es zeigte sich kein direkter Zusammenhang zwischen der Bruchzähigkeit im vor- und endgesinterten Materialzustand. Sie nimmt durch den Sinterprozess zwar um 725 % zu, um eine Defektentstehung im Weißkörper während des Bearbeitungsprozesses jedoch gering zu halten und somit die Lebensdauer der prothetischen Versorgung zu erhöhen, sind Verbesserungen derzeitiger Materialeigenschaften wünschenswert.

DOI
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