3D-gedruckte Prothesen: Prothesenbasiskunststoffe

3D-gedruckte Prothesen: Prothesenbasiskunststoffe

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3D-gedruckte Prothese

3D-gedruckte Prothesen stehen im Mittelpunkt einer Untersuchung Werkstoffkunde an der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik der LMU München. Das Team beschäftigte sich intensiv mit der Evaluierung von Prothesenmaterialien für den 3D-Druck. Dieser Artikel gibt einen Überblick über wesentliche Ergebnisse. Die Studie konzentrierte sich auf die Eigenschaften wie Wasserabsorption, Wasserlöslichkeit und Umsetzungsraten der Prothesenbasismaterialien, um deren Eignung für den langfristigen Einsatz im Mundraum zu bewerten. Zudem werden die mechanischen Eigenschaften der Materialien hervorgehoben, die für die Stabilität der Prothesen unter Kaudruck entscheidend sind. (Titelbild: Flemming Tec, Leipzig)

Mit Etablierung des dentalen 3D-Drucks stehen auch 3D-gedruckte Prothesenimmer häufiger im Fokus des Interesses. Für eine langfristige Verwendung müssen die Prothesenbasismaterialien eine gute Mundstabilität aufweisen. Dazu gehören eine geringe Wasserabsorption und Wasserlöslichkeit sowie hohe Umsetzungsraten, um möglichen negativen Auswirkungen durch einen hohen Restmonomergehalt vorzubeugen. Zudem bedarf es robuster mechanischer Eigenschaften, damit die Prothese dem Kaudruck standhält.

3D-gedruckte Prothesen: Werkstoffeigenschaften Prothesenbasismaterial

Acrylharze neigen aufgrund ihrer Polarität dazu, im Laufe der Zeit Wasser zu absorbieren, insbesondere unter feuchten Bedingungen. Dies kann zu inneren Spannungen wie Quellung, chemische Degradation und Monomerlösung innerhalb der Polymerketten führen. Für die Bewertung der Haltbarkeit von Prothesenkunststoffen sind Sorption und Löslichkeit entscheidende Parameter. Die Wechselwirkung zwischen Wasser und Polymerketten führt zu Quellung und chemischen Veränderungen. Dies unterstreicht die Bedeutung eines niedrigen Restmonomergehaltes für eine optimale Biokompatibilität. Hierbei gibt die Bewertung der Umsetzungsrate des Harzes Aufschluss über die Menge an unpolymerisierten Monomeren, welche, wenn in großen Mengen vorhanden, die Mundschleimhaut des Patienten reizen können. Während des Gebrauchs sind Prothesen aufgrund der intraoralen Kaukräfte erheblichen Belastungen ausgesetzt; insbesondere bei zahnlosen Patienten, denen das natürliche Rückkopplungssystem des parodontalen Ligaments fehlt. Diese Belastung kann zu Rissen und Frakturen in den Prothesenbasen führen. Die Bewertung mechanischer Eigenschaften, wie z. B. des elastischen Eindringmoduls, das aus der Entlastungskurve des Eindringens abgeleitet wird und positiv mit dem Elastizitätsmodul, der Kantenstabilität und der Biegefestigkeit korreliert, hilft bei der Vorhersage der Verformungs- und Bruchfestigkeit des Materials. Diese Bewertungen tragen auch zur Bestimmung der Integrität von herausnehmbaren Prothesen bei. Um die Auswirkungen von Temperaturschwankungen in der Mundhöhle zu untersuchen, verwenden Forscher häufig Thermolastwechsler. In dieser Studie wurden 5000 Zyklen (5/55 C) durchgeführt, um eine sechsmonatige Verweildauer in der Mundhöhle zu simulieren.

In vitro-Studie: Einfluss des Prothesenbasismaterials von 3D-gedruckten Prothesen

Ziel dieser In-vitro-Studie war es, den Einfluss des Prothesenbasiskunststoffs

  • vier 3D-gedruckte Basen,
  • eine gefräste Basis und
  • eine Basis aus konventionell autopolymerisierendem Kunststoff

und der Alterung auf die chemischen und mechanischen Eigenschaften zu untersuchen.

Material und Methoden

Insgesamt wurden 540 Probekörper in drei verschiedenen Geometrien hergestellt (Abbildung 1). Vier Materialien wurden mittels 3D-Druck verarbeitet: NextDent Denture 3D+ (abgekürzt: DEN), NextDent, Soesterberg, Niederlande; Fotodent Denture (FOT), Dreve ProDiMed, Unna, Deutschland; Freeprint Denture (FRE), DETAX, Ettlingen, Deutschland; V-Print dentbase (VPR), VOCO, Cuxhaven, Deutschland. Darüber hinaus wurden Probekörper für die beiden Kontrollgruppen aus einem Ivotion Base (IVO)-Rohling herausgetrennt oder aus PalaXpress (PAL) geformt. Zur Beurteilung der Eigenschaften dieser Materialien wurden Messungen zur Wasseraufnahme, Wasserlöslichkeit, Umsetzungsrate, zu dem elastischen Eindringmodul, der Kantenstabilität und zur Biegefestigkeit zunächst nach 24 Stunden Lagerung in Wasser bei 37 °C und nach einer zusätzlichen Alterung mit 5000 Thermolastzyklen bei 5/55 °C durchgeführt. Die Daten wurden mittels Kolmogorov-Smirnov, univariater ANOVA, Kruskal-Wallis, Mann-Whitney-U-Test und Spearman-Korrelation statistisch analysiert, wobei das Signifikanzniveau auf p < 0,05 festgelegt wurde.

3D-gedruckte Prothesen

Abb. 1: Studiendesign

Ergebnisse

Die Mehrheit der 3D-gedruckten Prothesenbasiskunststoffe wies eine höhere Wassersorption von 25,31 bis 37,94μg/mm und eine höhere Wasserlöslichkeit von 0,08 bis 8,27 μg/mm³ auf, während sie zusätzlich höhere Werte für das elastische Eindringmodul von 3,11 bis 4,09 GPa und die Biegefestigkeit von 60,81 bis 99,57 N/mm² im Vergleich mit den gefrästen und autopolymerisierten Kontrollgruppen zeigte. DEN und VPR zeigten hohe Werte für die Umsetzungsrate (Abbildung 2 – zwischen 89,36 und 93,53 %) sowie hohe Werte für das elastische Eindringmodul (3,77 bis 4,09 GPa) und die Biegefestigkeit (79,65 bis 99,57 N/mm²) (Abbildung 3).

3D-gedruckte Prothesen

Abb. 2: Umsetzungsrate der unterschiedlichen 3D-gedruckten Gruppen

3D-gedruckte Prothesen

Abb. 3: Biegefestigkeit für die unterschiedlichen 3D-gedruckten und beiden Kontrollgruppen

FOT wies eine niedrige Wassersorption von 25,31 bis 27,35 μg/mm³ und Wasserlöslichkeit von 1,01 bis 3,87 μg/mm³ auf. Bei allen untersuchten Materialien wirkte sich die Alterung auf die geprüften Parameter aus.

Schlussfolgerung

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse, die in Bezug auf die Konversionsrate und die Biegefestigkeit der 3D-gedruckten Prothesenbasiskunststoffe beobachtet wurden, ist es wichtig zu beachten, dass nur FOT und FRE die von der ISO-Norm definierten Grenzwerte erreichten.

Greil V, Mayinger F, Reymus M, Stawarczyk B. Water sorption, water solubility, degree of conversion, elastic indentation modulus, edge chipping resistance and flexural strength of 3D-printed denture base resins. (Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 2023; doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105565)

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