In Vitro Lifetime of Zirconium Dioxide-Based Crowns Veneered Using Rapid Layer Technology

Abstract

Zielsetzung:Polykristallines Zirkonoxid (3Y-TZP) eignet sich aufgrund seiner hohen Biegefestigkeit sehr gut als Gerüstmaterial für Vollkeramik-Kronen und -Brücken. Dieser opake Gerüstwerkstoff genügt jedoch oftmals nicht den ästhetischen Anforderungen der Zahnmedizin, weshalb dieser mit transluzenteren Keramiken verblendet wird. Die Verblendung von Zirkonoxid wird klassischerweise mit abgestimmten Verblendkeramiken in verschiedenen Schichten aufgebrannt. Dieser Prozess ist aufgrund seiner Komplexität fehleranfällig und schwierig automatisierbar. Auf der Suche nach wirtschaftlichen Alternativen entstand die Rapid-Layer-Technologie (RLT), bei der eine monolithische Verblendstruktur adhäsiv mit einem Zirkonoxid-Gerüstmaterial verbunden wird.

Um dieses neuartige Herstellungsverfahren wissenschaftlich einordnen zu können, war das Ziel dieser Studie, die Lebensdauer von klassisch hergestellten Zahnkronen (Schlickertechnik) mit den Kronen der Rapid-Layer-Technologie (RLT) in einer experimentellen Kausimulation zu testen und vergleichend zu bewerten.

Material und Methode:Die vier Testgruppen bestanden aus jeweils 16 Prüfkörpern. Alle Kronen hatten Zirkonoxid-Gerüste, welche aus Weißling-Ronden im CAD/CAM-Verfahren hergestellt und anschließend gemäß den Herstellerangaben (T = 1530°C, t = 2 h) zu einem 0,7 mm starkem Grundgerüst gesintert wurden. Beim RLT-Verfahren wurden die Verblendstrukturen ebenfalls mittels CAD/CAM-Prozessschritten in der ersten Gruppe aus Feldspat-Rohlingen (VMII, n = 16) und in der zweiten Testgruppe aus Blöcken einer Hybridkeramik (ENA, n = 16) geschliffen. Nachdem die Oberfläche der geschliffenen Verblendschalen unter Wasserkühlung mit Diamantpolierern poliert worden war, wurde das innere Lumen mit 5%igem Keramik-Ätzgel für 60 Sekunden geätzt und danach mit Wasser und Luft gesäubert. Nach dem Silanisieren der Verblendseite und dem Sandstrahlen der Gerüstseite wurden beide Teile mit einem selbstadhäsiv-dualhärtendem Befestigungs-Komposit verklebt und mit einer Polymerisationslampe für 60 Sekunden lichtgehärtet. Die Zirkonoxid-Gerüste der anderen beiden Testgruppen wurden von einem Zahntechniker mit einer Feinstruktur-Feldspat-Keramik (VM9®, Vita Zahnfabrik) nach Herstellerangaben in Hand geschichtet. Nach dem Glanzbrand wurden die Kronen unterschiedlich schnell abgekühlt, so dass die Gruppe „FC“ (fast cooling) mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit von 45 °C/s und die Gruppe „SC“ (slow cooling) mit einer niedrigen Abkühlgeschwindigkeit von 0,5 °C/s resultierte.

Künstliche Zahnstümpfe wurden aus Dentalkomposit hergestellt und für 14 Tage in destilliertem Wasser gelagert. Die Kronen aller Gruppen wurden auf diese Stümpfe mit einem selbstadhäsiv-dualhärtendem Befestigungskomposit befestigt und für weitere 7 Tage in destilliertem Wasser gelagert. Die Kronen wurden im Kausimulator mit einer Frequenz von 1.5 Hz und einer Prüflast von 200 N in 38°C destilliertem Wasser zyklisch belastet. Als Antagonist diente jeweils eine neue Steatit-Kugel mit einem Durchmesser von 6,25 mm. Alle Kronen wurden bis zum Versagen in Form von Abplatzungen (Chippings) der Keramik oder Erreichen der Verschleißgrenze getestet. Die Merkmale der Oberflächendefekte wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop analysiert und die Lebensdauer der Kronen in einer Kaplan-Meier-Betrachtung statistisch ausgewertet.

Ergebnisse: In den beiden VM9-Gruppen traten an allen Kronen großflächige Abplatzungen auf: In der Gruppe „FC“ der schnell abgekühlten Kronen traten diese Chippings bereits zwischen 2,63 x 10³ und 3,07 x 10⁵ Zyklen auf, wohingegen die Kronen der Gruppe „SC“ zwischen 3,42 x 10⁴ und 2,15 x 10⁶ Zyklen überstanden. Bei den RLT-Gruppen traten in beiden Versuchsgruppen keine vergleichbaren Abplatzungen auf, jedoch musste die Kausimulation nach 2,5 x 10⁶ Zyklen (ENA) bzw. 3,5 x 10⁶Zyklen (VMII) aufgrund großflächiger Verschleißerscheinungen der Verblendstrukturen beendet werden.

Alternate abstract:

Objectives:Due to its high flexural strength, polycrystalline zirconium dioxide (3Y-TZP, zirconia) is suitable as a framework material for all-ceramic crowns and bridges. However, this opaque framework material often does not meet the aesthetic requirements of dentistry, the reason why it is usually veneered with more translucent glassy ceramics. The veneer material is traditionally fired onto the zirconia infrastructure in subsequent layers. Due to the complexity of this procedure, the probability of defective manufacture increases and the reproducibility decreases. Looking for more economical alternatives, the rapid-layer-technology (RLT) was developed, in which a monolithic veneer structure is machined and adhesively luted onto the zirconia substructure.

In relation to systematically characterize the performance of this new technique, the aim of this study was to evaluate the lifetime of classically manufactured tooth crowns (slip-cast technique) compared to crowns fabricated using the rapid-layer-technology (RLT) in an experimental chewing simulation.

Material and method:Four test groups consisted of 16 crowns each (n = 16). All crowns were constituted of a zirconia framework, which was produced from white blanks by CAD/CAM machining and subsequently sintered according to the manufacturer`s instructions (T = 1530 °C, t = 2 h) resulting in a 0.7 mm-thick coping. These were layered by hand from a dental technician with a fine-structure feldspar ceramic (VM9, Vita Zahnfabrik) according to the manufacturer`s instructions. After glaze firing, the crowns of the veneered group were cooled at different rates: “FC” (fast-cooling, 45 °C/s) and “SC” (slow-cooling, 0.5 °C/s). In the RLT groups, the veneer layer was also machined using CAD/CAM, whether using feldspar blanks (Vitamark Blocks II, “VMII”, Vita Zahnfabrik) or a hybrid ceramic (Enamic, “ENA”, Vita Zahnfabrik). After the surface of the veneers had been polished with diamond polishers under water cooling, the inner lumen was etched with 5% hydrofluoric acid gel for 60 seconds followed by rinsing and drying. After silanizing the bonding side of the veneer and sandblasting the zirconia framework side, both parts were bonded with a self-adhesive dual-curing luting composite and light-cured with a polymerization lamp for 60 seconds.

Artificial tooth abutments were fabricated from dental composite and stored in distilled water for 14 days. The crowns of all groups were adhesively luted to these abutments using a selfadhesive dual-curing resin cement and stored in distilled water for another 7 days. The crowns were cyclically loaded in a chewing simulator with a frequency of 1.5 Hz and a test load of 200 N in 38 °C distilled water.

Results: In the two VM9 groups, large areas of chipping occurred on all crowns: In the “FC” group, these chippings occurred between 2.63 x10³ and 3.07 x10⁵ cycles, whereas the crowns of the group "SC" survived between 3.42 x10⁴ and 2.15 x10⁶ cycles. No chippings occurred in the RLT in either test group, but the chewing simulation had to be terminated after 2.5 x10⁶ cycles for ENA and after 3.5 x10⁶cycles for VMII due to extensive signs of wear on the veneer material.

Scanning electron microscope images of crown cross-sections (VM9) showed cohesive chippings within the veneering layer. In the RLT crowns, cracks propagated through the thickness of the veneer layer up to the cement layer, growing further along the interface between the veneer and the luting composite.

Conclusions:The rapid-layer-technology is an efficient method for veneering zirconia framework structures. There are fewer manufacturing steps and the lifetime of a restoration is increased. The wear of the hybrid ceramic (ENA) was greater than that of the feldspar ceramic (VMII). This was expressed in the number of cycles for ENA in the chewing simulation that was reduced by a factor of ~0.7. Due to increasing digitization, rapid-layer-technology can represent an economical and complementary alternative in dentistry.