3D-Druck von Prothesen: Mechanische Eigenschaften

Der 3D-Druck von Prothesen rückt zunehmend in den Mittelpunkt der dentalen Forschung und Anwendung. Insbesondere bei der Herstellung von Prothesenbasen eröffnet die additive Fertigung neue Spielräume – doch wie steht es um deren mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu konventionellen Materialien?

Prothesenbasen spielen eine wichtige Rolle in der herausnehmbaren Prothetik und werden entweder mit traditionellen Methoden wie dem Injektionsverfahren oder digital – subtraktiv bzw. additiv (AM, 3D-Druck) – hergestellt. Insbesondere der 3D-Druck von Prothesen bzw. Prothesenbasen steht im Fokus des Interesses. Die wichtigsten additiven Fertigungsverfahren für kunststoffbasierte Dentalmaterialien sind die Stereolithografie (SLA) und die digitale Lichtverarbeitung (DLP). Laut der Norm ISO/ASTM 52900^[1]  arbeiten DLP und SLA nach dem Prinzip der Vat-Polymerisation, bei der Harzschichten durch ultraviolettes Licht oder Laserbelichtung ausgehärtet werden.

Warum der 3D-Druck von Prothesen interessant ist

Die Vorteile der additiven Fertigung – auch beim 3D-Druck von Prothesen – liegen in der verkürzten Herstellungszeit und der reduzierten Materialverbrauch. Während bei gefrästen Prothesenbasen Materialverluste und Werkzeugverschleiß auftreten, geht beim 3D-Druck von Prothesen nur Material für die Stützstrukturen verloren. Die Prothesenbasen werden schichtweise aus lichthärtenden Harzen aufgebaut, anschließend nachbearbeitet und polymerisiert.

Obwohl die erforderlichen physikalischen Eigenschaften konventionell hergestellter Prothesenbasen (z. B. spritzgießbarer Kunststoffe) durch ISO 20795-1[2] normiert sind, konnten einige in früheren Studien untersuchte flexible Basismaterialien diese Anforderungen nicht erfüllen.[3] Zudem fehlen bislang spezifische Standards für die Prüfung von Kunststoffen für den 3D-Druck von definitiven Prothesenbasen. 


Material und Methoden

Drei 3D-Druckharze für die additive Fertigung der Prothesenbasen 

• Lucitone Digital Print, LDP, Dentsply Sirona
• Flexcera Base, FCB, Desktop Health und 
• ein experimentelles Material, EXP

sowie ein Kunststoff für das Injektionsverfahren 

• IvoBase Hybrid, IBH, Ivoclar AG

wurden analysiert. Standardisierte Prüfkörper (Abb. 1) wurden mittels additiver Fertigung und Injektionsverfahren hergestellt, poliert, getempert (37 °C in deionisiertem Wasser) und thermisch (5 °C bis 55 °C in deionisiertem Wasser) belastet. Anschließend erfolgten Prüfungen auf:

• Biegefestigkeit (σf)
• Elastizitätsmodul (E)
• Bruchzähigkeit (KIC)
• Brucharbeit (ωe)
• Härte (HM)

Ergebnisse

• Das konventionelle Material IBH zeigte die geringste Dehnung und plastische Verformung sowie die höchsten Werte für σ_f, E und HM.
• Die K_IC– und ω_e-Werte von IBH und EXP waren niedriger als die von LDP und FCB.
• Die Alterung beeinflusste die mechanischen Eigenschaften der 3D-gedruckten Harze, hatte jedoch keinen messbaren Einfluss auf das IBH.
• LDP und FCB können als hochzähe Materialien betrachtet werden, da sie die ISO-20795-1:2013-Grenzwerte von 1,9 MPa√m für K_IC und 900 J/m² für ω_e überschreiten.
• Die 3D-druckbaren Polymere zeigten beim σ_f-Test eine hohe Biegung ohne Frakturen, mit plastischer Verformung (Abb. 1, rechts) und σ_f-Werten unter dem 60-MPa-Standard für Prothesenbasen. 
• Für flexible Materialien im 3D-Druck von Prothesen bzw. Prothesenbasen könnte daher künftig ein Zugversuchsdesign geeigneter sein als der klassische Biegeversuch.

Schlussfolgerung

Der 3D-Druck von Prothesen bzw. Prothesenbasen eröffnet neue Möglichkeiten für die Fertigung von herausnehmbarem Zahnersatz – insbesondere durch wirtschaftliche Vorteile und die hohe Zähigkeit mancher Harze. Im Vergleich zu einem spritzgegossenen Referenzpolymer (IBH) zeigten die getesteten Harze jedoch teils niedrigere Biegefestigkeiten – zum Teil unterhalb der ISO-Grenze von 60 MPa – und reagierten empfindlich auf künstliche Alterung. Gleichzeitig erreichten LDP und FCB hohe Werte für Bruchzähigkeit und Brucharbeit. 

Die Autoren plädieren daher für angepasste Prüfverfahren, etwa Zugversuche, um duktiles Materialverhalten angemessen zu bewerten. 3D-gedruckte Prothesen sind kein pauschaler Ersatz für bewährte Methoden, können aber eine zukunftsfähige Ergänzung sein – vorausgesetzt, Prüfstandards und Indikationswahl passen zum Material.