PAEK Kunststoffe: Der Schritt zur monolithischen Versorgung?

PAEK – dentale Hochleistungspolymere aus der Familie der Polyaryletherketone haben sich in der Zahnmedizin zunehmend bei prothetischen Anwendungen etabliert. Einsatz finden sie insbesondere für Gerüste, z. B. für abnehmbare Restaurationen. Schaffen sie nun mit Füllkörpern den Schritt zur monolithischen Versorgung? (Titelbild: ZTM Philipp von der Osten)

PAEK Werkstoffe werden durch ihre Kombination aus thermischer und chemischer Beständigkeit, Formstabilität und Biokompatibilität als Gerüstmaterial für Kronen, Brücken, Prothesen sowie als Abutmentmaterial für Implantate verwendet. Insbesondere Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) und Polyetherketon (PEK) zählen zu den bekannten Materialien und können durch Kombination untereinander erhöhte Steifigkeit oder Elastizität aufweisen. Der Schritt in Richtung monolithischer Versorgungen scheitert jedoch noch wegen der mangelnden Ästhetik, mechanischen Eigenschaften und der Abrasionsbeständigkeit.

Anorganische Füllstoffe in PAEK Werkstoffen

Die Integration von anorganischen Füllstoffen kann diese Eigenschaften entscheidend verbessern. Typische Vertreter sind Kieselsäure, Feldspat oder Talkum, wobei sich Gewichtsanteile um 20 Gew.-% als vielversprechend gezeigt haben. Eng damit verbunden ist die Partikelgröße und deren Verteilung.

Feine Partikel < 1µm ermöglichen eine homogene Matrix und gute Abrasionsbeständigkeit. Große Partikel steigern die Festigkeit und das Elastizitätsmodul. Der Verbund zwischen Füllstoff und Matrix kann durch Silanisierung gestärkt werden.

Material und Methoden

In dieser Studie kamen 35 Prüfkörper (40 Gew.-% PEEK und 40 Gew.-% PEK) mit 5 verschiedenen Füllstoffen (20 Gew.-% pyrogene Kieselsäure, Calciumsilikat, Feldspat, Magnesiumsilikathydrat), einer Kontrollgruppe ohne Füller und kommerzielle Referenzmaterialien mit keramischen Füllern (BioHPP/PEEK20, BioHPP plus/PEEK25) als Vergleichsgruppe zum Einsatz. Mit Calciumsilikat wurden unterschiedliche Gehalte (20, 25, 30 Gew.-%) untersucht. Der Effekt der Silanisierung wurde bei Calciumsilikat mit Alkyl- und Aminosilan, bei Feldspat mit Methyl- und Vinylsilan untersucht (Abbildung 1). 

Ergebnisse

Anhand der Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden die Zusammensetzungen für drei experimentelle PAEK-Komposite ausgewählt:

• PAEKi: 35 % PEEK, 35 % PEK, 30 % Calciumsilikat (große Partikelverteilung)
• PAEKii: 70 % PEEK, 30 % Calciumsilikat (enge Partikelverteilung)
• PAEKiii: 70 % PEEK, 25 % Calciumsilikat, 5 % Feldspat (sehr feine Partikel, d50=1 µm)

Als Referenz diente BioHPP (PEEK20) mit 20 % keramischem Füllstoff (Korngröße 0,3–0,5 µm). Mit diesen Materialien wurden 40 anatomische Prüfkörper in Form eines ersten Unterkiefermolaren hergestellt und in einer Kausimulation mit insgesamt 400.000 Zyklen (4 Intervalle zu je 100.000 Zyklen) untersucht. 

Mechanische Eigenschaften durch Variation der Füllstoffe

Die mechanischen Eigenschaften der PAEK-Komposite konnten durch die Zugabe von Füllstoffen gesteigert werden. Calciumsilikat und Magnesiumsilikathydrat erzielten die höchsten Werte für Biegefestigkeit und Elastizitätsmodul. Mit steigendem Füllstoffgehalt, insbesondere auf 30 Gew.-%, wurden sowohl Biegefestigkeit, Elastizitätsmodul als auch die Härte (verglichen mit 20 Gew.-%) erhöht; der Effekt war beim Elastizitätsmodul am deutlichsten ausgeprägt. Die Silanisierung mit Methylsilan führte bei feldspatbasierten Materialien zu den höchsten Festigkeits- und Steifigkeitswerten, während für calciumsilikatbasierte Komposite die Behandlung mit Aminosilan besonders die Härte und Biegefestigkeit steigerte (Abbildung 2).

Abrasionsbeständigkeit

Die mechanischen Eigenschaften der experimentellen Materialien zeigten insbesondere bei PAEK_i eine deutlich höhere Biegefestigkeit (bis 210 MPa) und ein höheres Elastizitätsmodul (bis 8,4 GPa) als BioHPP (ca. 160 MPa; 3,9 GPa). Die Shore-D-Härte bewegte sich über alle Gruppen hinweg zwischen 87 und 89. In der Kausimulation erwies sich BioHPP trotz geringerer Festigkeit als das Material mit der höchsten Abrasionsbeständigkeit: Das niedrigere Elastizitätsmodul wirkt dämpfend und reduziert so den Materialverlust bei Zwei-Körper-Belastungen signifikant. Unterschiede in der Füllstoffzusammensetzung der experimentellen Materialien beeinflussten die Verschleißfestigkeit unter den Testbedingungen kaum; entscheidend waren vielmehr die Partikelgröße der Füllstoffe und die Homogenität der Matrix (Abbildung 2).

Schlussfolgerung

Die Studie verdeutlicht, wie gezielte Modifikationen – insbesondere die Art und Menge des anorganischen Füllmaterials sowie dessen chemische Anbindung durch Silane – die funktionellen Eigenschaften von PAEK-Kompositen verbessern können und somit den Einsatz in der monolithischen dentalen Prothetik stärken. Während größere Füllstoffanteile primär die Steifigkeit und Härte steigern, zeigen kleinere Partikel und ein geringes Elastizitätsmodul positive Effekte auf die Verschleißbeständigkeit im Zwei-Körper-Kontakt. Die Oberflächenfunktionalisierung (z. B. Aminosilanisierung) kann den Verbund im polymeren Gefüge optimieren und für höhere mechanische Festigkeit sorgen. Ob PAEK-Komposite sich als zukünftiges Material für monolithische Restaurationen etablieren, erfordert jedoch noch weitere Untersuchungen.