Dentale Tribologie - Verschleiß in der Zahnmedizin
Verschleiß von Werkstoffen ist ein Problem, daß uns im Alltag häufig begegnet. Als klassische Beispiele werden häufig der Verschleiß von Autoreifen oder Bremsen genannt. Verschleiß tritt immer dann auf, wenn zwei Oberflächen in Kontakt kommen und aneinander entlang bewegt werden. Während in der Technik die Verschleißbegriffe eindeutig definiert sind (DIN 50 320), gibt es in der Zahnmedizin noch keine einheitliche Nomenklatur. In der Regeln differenziert man in der Zahnmedizin Verschleißvorgänge eher nach Form und Ursache (Tab. 1) als nach dem zugrundeliegenden Mechanismus (Kunzelmann 1998).
Häufig findet sich in der Literatur auch die Unterscheidung in “Kontaktbereiche” (OCA = occlusal contact area) und “Kontaktfreie Bereiche” (CFA = contact free area) je nachdem, ob das Verschleißareal im Bereich des Kontaktes zum Gegenzahn liegt oder nicht. Die Problematik mit dieser Einteilung ist, daß die Grenze des Übergangs zwischen den beiden Arealen fließend ist und nicht reproduzierbar festgelegt werden kann. Tabelle 1: Einteilung des Substanzverlustes von Zähnen nach Form und Ursache.
Verschleiß
Physiologisch Unphysiologisch
Attrition: Verschleiß durch direkten Zahnkontakt
Schlucken und Sprechen Parafunktionen (Bruxismus)
Abrasion: Abrieb durch Partikel
Demastikation (Nahrung) exogene Ursachen, z. B. Sand oder Staub bei beruflicher Exposition
Zur Beurteilung des Verschleißverhaltens von beispielsweise Füllungswerkstoffen ist es sinnvoller, auf die Definitionen nach DIN 50 320 zurückzugreifen. Hier werden vier Hauptmechanismen unterschieden: Abrasion, Oberflächenzerrüttung (Ermüdung), Adhäsion, Tribochemische Reaktion. In der Zahnmedizin spielen primär Abrasion und Oberflächenzerrüttung eine Rolle. Die beiden anderen Mechanismen kann man in der Regel vernachlässigen.
Bei der Abrasion wird die Oberfläche eines Werkstoffes durch harte Bestandteile geschädigt. Diese harten Bestandteile können am Gegenkörper fest verankert sein (“2-Körper-Verschleiß”: Grundkörper + Gegenkörper) oder sich lose zwischen den Oberflächen befinden (“3-Körper-Verschleiß” = Grundkörper + Zwischenmedium + Gegenkörper). Die harten Abrasivkörper bewirken durch vier Grundmechanismen Substanzverlust: Mikropflügen (microploughing) , Mikrospanen (microcutting), Mikroermüden (microfatigue) und Mikrobrechen (microcracking). In der Regel wirken beim Verschleiß diese Mechanismen gleichzeitig. Durch die Materialeigenschaften der Werkstoffe, wird jedoch das Ausmaß des einzelnen Mechanismus festgelegt. So neigen spröde Werkstoffe eher zum Mikrobrechen, während zähe Materialien bevorzugt durch Mikrospanen verschleißen.
Verschleißquantifizierung
Zur Quantifizierung von In-vivo-Verschleiß von Füllungen finden sich in der Literatur zahlreiche Methoden. Prinzipiell wird Verschleiß entweder von Untersuchern subjektiv in Kategorien eingeteilt oder mit Hilfe von Meßgeräten objektiv gemessen.
Die subjektiven Methoden können entweder direkt im Mund (direkt) oder anhand von Modellen (indirekt) vorgenommen werden. Von Ryge und Snyder (1973) wurde ein Bewertungsschema vorgeschlagen, das als USPHS-Bewertungssystem auch heute noch angewendet wird. Das USPHS-System beurteilt die Füllungen direkt, weshalb es einfach und preisgünstig ist. Das System ist jedoch sehr grob, so daß es zum Vergleich der Verschleißfestigkeit von modernen Werkstoffen ungeeignet ist.
Die indirekte Auswertung mit Hilfe von Modellen war lange Zeit sehr populär, ist jedoch mittlerweile veraltet. Systeme, die als Leinfelder-Skala, M-L- oder Vivadent-Skala bekannt werden, beruhen darauf, daß mit bloßem Auge und Lupenbrille der Verschleiß gemessen wird, indem Vergleichsmodelle mit einer bekannten Verschleißhöhe mit dem zu beurteilenden Modell verglichen werden. Es kann ausschließlich die Stufe zwischen Füllung und Schmelz beurteilt werden. Da diese nicht gleichmäßig ist, wird “mental interpoliert”, um zu einer Aussage zu kommen. Möglicherweise hatte dieses System seine Berechtigung als die Werkstoffe noch katastrophalen Verschleiß aufwiesen. Der Vergleich zwischen der subjektiven Auswertung und einer 3D-Meßmethode zeigt jedoch, daß die Beurteiler bei modernen Füllungswerkstoffen nicht einmal die richtige Größenordnung des wahren Verschleißes beurteilen können (Kunzelmann et al. 1999).
Heute muß ein objektives Meßverfahren als Standardmethode zur Verschleißquantifizierung gefordert werden. Von den zahlreichen Methoden haben sich primär die dreidimensionales Meßverfahren mit Laserabtastung bewährt (z. B. Mehl et al. 1996).
Bei diesen Verfahren werden Modelle der Zähne vermessen, die zu unterschiedlichen Zeiten (z. B. Ausgangssituation, Nachuntersuchung nach 1 Jahr, Abb. 1) angefertigt wurden. Bei dieser Vermessung entstehen dreidimensionale Datensätze (Tabellen mit einem Höhenwert an jeder Position der Zahnoberfläche). Diese Datensätze können mathematisch überlagert werden. Zur Überlagerung werden ausschließlich natürliche, unveränderte Areale (z. B. Fissuren) herangezogen. Anschließend können die nun exakt zugeordneten Datensätze von einander subtrahiert werden und das Differenzbild ergibt eine zweidimensionale Verschleißlandkarte. Zum Vergleich von Füllungen wird dann in der Regel das Verschleißvolumen sowie die maximale Verschleißhöhe herangezogen, wobei die maximale Verschleißhöhe einfacher interpretiert werden kann. Es handelt sich um den Höhenverlust im Kontaktbereich. Da die Stabilisierung der Kieferrelation im Kontaktbereich erfolgt, bedeutet ein hoher Verschleiß einen Verlust an vertikaler Abstützung zwischen den Kiefern. Folgen ergeben sich auf den drei Ebenen: Zahnhartsubstanz, Parodont und Kiefergelenk.
Abb. 1
Dreidimensionale Verschleißanalyse. Durch Laservermessung der Dokumentationsmodelle erhält man 3D-Datensätze, die referenzpunktfrei überlagert werden können. Durch Subtraktion können die Differenzen berechnet werden. Verschleiß ist rot kodiert. Je intensiver die Färbung ist, um so mehr Verschleiß liegt vor. Man kann z. B. die Verschleißprogression im Bereich der Kontaktpunkte identifizieren und quantifizieren.
Während im angloamerikanischen Sprachraum Verschleiß eine wesentliche Rolle bei der Auswahl eines Füllungswerkstoffes spielt, ist die Bedeutung in Deutschland aufgrund der Amalgamdiskussion und der Honorierungsproblematik derzeit in den Hintergrund getreten.
Verschleißsimulation
Die klinische Verschleißmessung ist zwar die besten Möglichkeit, das Verschleißverhalten von Füllungen zu beurteilen, sie weist jedoch auch einige wesentlichen Nachteile auf. Klinische Daten weisen in der Regel hohe Streuungen auf, was für biologische Systeme durchaus normal ist. Zum Vergleich von Werkstoffen mit dem Ziel der Optimierung des Materials sind jedoch unrealistisch hohe Fallzahlen erforderlich. Dies sowie der hohe Zeitaufwand bei klinischen Studien verteuern die Untersuchungen erheblich. Aus diesem Grund und auch zum Schutz unserer Patienten kann man nicht jede im Labor entwickelte Version eines Materials klinisch testen. Es ist vielmehr erforderlich ein präklinisches Screening der Werkstoffe durchzuführen. Aus diesem Grund wurden verschiedene Verschleißsimulationsmaschinen entwickelt (Abb. 2 - 4), die sich konstruktiv z. T. erheblich unterscheiden (Übersicht bei Kunzelmann 1998). Die Vielzahl an Simulationsumgebungen erschwert den direkten Vergleich in der Literatur publizierten Daten und führt oft zu der Frage, welcher Kausimulator der Beste sei.
Abb. 2
Diese Verschleißsimulation wurde der Universität Amsterdam (ACTA) entwickelt. In einem Becherglas befindet sich als Simulation des Nahrungsbreis eine Hirsesamen-Wasser-Mischung. In dieser Mischung rotieren zwei Räder gegenläufig. Auf einem Rad sind die Materialproben befestigt, das andere Rad dient als Antagonist.
Abb. 3:
Der sog. “Münchner Kausimulator MUC 1” wurde an der Universität München entwickelt. Die acht Prüfkammern können horizontal bewegt werden. Die Antagonisten bewegen sich vertikal. Gleichzeitig kann Thermocycling überlagert werden. Die Last wird mit Druckluft eingeleitet und über Regelkreise individuell in jeder Kammer gesteuert und überwacht.
Abb. 4:
Der Münchner Kausimulator MUC 3 stellt bereits die dritte Entwicklungsgeneration dar. Die Last wird hier mit Gewichten eingeleitet, die über eine Druckluftsteuerung sanft auf die Proben aufgesetzt werden. Ein optimiertes Spülsystem und die mechanische Verbesserung der Horizontalbewegung erlauben z. B. exakte Vermessungen des Antagonistenverschleißes.
Ohne zu detailliert auf die Unterschiede der verschiedenen Kausimulatoren einzugehen, kann man zusammenfassen, daß es den “besten Kausimulator” nicht geben kann. Da Verschleiß eine Systemeigenschaft ist, ist nahezu jedes System geeignet, sofern man die Mechanismen kennt und mit Referenzwerkstoffen verglichen hat. Betont werden muß, daß der Versuch, eine sogenannte klinische Korrelation zu belegen, immer nur Momentaufnahmen beurteilt. Um die Aussagekraft eines Systems zu steigern, ist es beliebt, Werkstoffe zu wählen, die sich erheblich unterscheiden (z. B. Zement, Amalgam und Komposit). Das identische Ranking im Kausimulator wird dann als gute klinische Übereinstimmung interpretiert. Diese Bemühungen fördern das Verständnis von Verschleiß nicht und sollten zugunsten der Analyse von Mechanismen zur Optimierung unserer Werkstoffe unterlassen werden. Die Abb. 5 - 6 zeigen einige aktuellen Ergebnisse der Verschleißforschung I
Ergebnisse der Verschleißsimulation aktueller Werkstoffe. Kausimulator MUC 1. Vertikale Last: 50000 Zyklen mit 50 N. Antagonist: Aluminiumoxidkugeln, 5 mm Durchmesser.
Abb. 5
Bei modernen Kompositen ist der Silanverbund zwischen Füllkörper und Matrix meist so gut, daß - wie im vorliegenden Fall - der Füllkörper durch Mikroermüdung in der Matrix aus dem Komposit herausgerissen wird.
Abb. 6
Die klassische Aussage, den Verschleiß durch kleinere Füllkörper alleine zu optimieren, trifft nicht immer zu!
Literatur
DIN 50320 Verschleiß: Begriffe, Systemanalyse von Verschleißvorgängen, Gliederung des Verschleißgebietes. Beuth, Berlin (1979).
Kunzelmann, K.-H.: Verschleißanalyse und -quantifizierung von Füllungsmaterialien in vivo und in vitro. Shaker Verlag, Aachen (1998).
Kunzelmann, K.-H., Perry, R., Mehl, A., Hickel, R.: Sind subjektive Bewertungsskalen zur Verschleißquantifizierung noch zeitgemäß? Dtsch Zahnärztl Z 54: 575 - 580 (1999).
Mehl, A., Gloger, W., Kunzelmann, K.-H., Hickel, R.: Entwicklung eines neuen optischen Oberflächenmeßgerätes zur präzisen dreidimensionalen Zahnvermessung. Dtsch Zahnärztl Z 51, 23 (1996).
Ryge, G., Snyder, M.: Evaluation of the clinical quality of restraurations. J Am Dent Assoc 97, 369 (1973).