Vergleich dreier Verfahren zur Charakterisierung des Dämpfungsverhaltens von zahnärztlichen CAD/CAM-Materialen

Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit bestand im Vergleich dreier Prüfverfahren, die geeignet erscheinen, das Dämpfungsverhalten zahnärztlicher CAD/CAM-Materialien bei punktueller Belastung zu charakterisieren. Dazu wurde das Dämpfungsverhalten von unterschiedlichen CAD/CAM-Restaurationsmaterialien unter Anwendung der Rückprallhärte nach Leeb, der Rückprallelastizität nach Schob sowie des Verlusttangens der Dynamisch-Mechanischen Analyse untersucht und verschiedene Materialgruppen bezüglich ihrer energiedissipativen Wirkung verglichen. Zur Bestimmung aussagekräftiger Daten wurden unterschiedliche Prüfverfahren ausgewählt, welche die zu untersuchenden Materialien jeweils einer punktuellen Belastung aussetzten. Um eine gute Reproduzierbarkeit der Messdaten zu gewährleisten, wurden deshalb bereits in der Literatur bekannte und etablierte Messmethoden ausgewählt.
In der vorliegenden Arbeit wurde einleitend zunächst ein Literaturüberblick zum Thema Dämpfung im zahnmedizinischen Kontext vorgestellt und das Phänomen der Dämpfung in Anlehnung an die grundlegenden Ausführungen von LAZAN [65] beschrieben. Anschließend erfolgte die Präsentation der ausgewählten Prüfverfahren sowie der mit ihrer Hilfe ermittelten Kenngrößen. Als eine relativ bekannte Prüfgröße wurde der Verlusttangens ausgewählt, welcher üblicherweise mittels der Dynamisch-Mechanischen Analyse bestimmt wird. Diese Kenngröße ist ein Maß für die von einem Material bei der Verformung im ausschließlich linear elastischen Bereich dissipierten bzw. gedämpften Energie [29, 75, 83]. Die durch das Messprinzip bedingte zyklische Verformung des Prüfkörpers wird als sehr geeignet angesehen den menschlichen Kauzyklus zu imitieren [130]. Mit der Messung der Rückprallhärte nach Leeb und der Rückprallelastizität nach Schob wurden zwei weitere dynamische Prüfverfahren ausgewählt, welche den zu untersuchenden Prüfköper mit unterschiedlicher kinetischer Energie schlagend und punktuell belasten. Beide Prüfmethoden basieren darauf, dass die beim Rückprall des jeweiligen Schlagkörpers messbare kinetische Energie vom Prüfkörper nicht gedämpft wurde. Somit stellen Rückprallprüfverfahren ein indirektes Maß für die Dämpfungseigenschaft des untersuchten Werkstoffes dar [61]. Die schlagende Prüfsituation entspricht im klinischen Alltag dem plötzlichen und unerwarteten Biss auf einen harten Gegenstand, was im ungünstigsten Fall mit Schäden am Zahn [18] oder an einer implantatgetragenen Restauration [141] verbunden sein kann. Beide Rückprallprüfverfahren ermöglichen es deshalb auf relativ einfache Art und Weise eine aus klinischer Sicht sehr gefährliche Situation zu simulieren und charakterisieren dabei beide gleichzeitig die Dämpfungseigenschaften eines Restaurationsmaterials.
In der vorliegenden Arbeit wurden alle drei Prüfverfahren zur Prüfung von gezielt ausgewählten zahnärztlichen CAD/CAM-Restaurationsmaterialien angewendet. Mit den Materialgruppen Keramik, Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), Hybrid und Metall war es möglich einen repräsentativen Querschnitt der in der zahnärztlichen Prothetik verwendeten Materialien zu untersuchen. Für jede Prüfmethode mussten jedoch Prüfkörper mit einer jeweils speziellen Geometrie angefertigt werden. Die ermittelten Messwerte des Verlusttangens, der Rückprallhärte (Leeb) und der Rückprallelastizität (Schob) wurden in Materialgruppen zusammengefasst und unter Anwendung einer ANOVA (Analysis of Variance) untersucht. Die gesamte statistische Auswertung erfolgte mit Hilfe der Analysesoftware SPSS, (Version 26.0.0.0., IBM Corp., Armonk, NY, USA). Darüber hinaus wurde nach der jeweiligen Messung mittels eines der beiden Rückprallprüfverfahren (Leeb bzw. Schob) die Prüfkörperoberfläche speziell ausgewählter Materialien mit Hilfe der optischen Profilometrie (FRT Bildgebung) untersucht, um unterschiedliche Dämpfungsmechanismen besser interpretieren zu können.
Als Ergebnis der vorliegenden Arbeit wurden jeweils signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten CAD/CAM-Materialgruppen in Bezug auf die jeweiligen Mittelwerte eines der drei unterschiedlichen Prüfverfahren festgestellt. Daher musste die Nullhypothese, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den Mittelwerten der untersuchten CAD/CAM-Materialgruppen in Bezug auf eines der drei unterschiedlichen Prüfverfahren existieren, verworfen werden. Als weiteres Ergebnis wurde festgestellt, dass die ermittelten Unterschiede zwischen den verschiedenen Materialgruppen in verschiedenartigem Ausmaß und unterschiedlicher Reihenfolge der verglichenen Gruppen auftreten. Dieser Effekt war stark abhängig von der angewandten Testmethode. Zur Klärung dieser Beobachtung wurden mögliche ursächliche Zusammenhänge zwischen der Art der jeweils messprinzipbedingten Prüfkörperbelastung und den materialimmanenten Mechanismen der Energiedissipation anhand von Literaturstellen vergleichend diskutiert. Durch die Berechnung des Bestimmtheitsmaßes wurde keine bzw. eine nur geringe Korrelation zwischen den Messergebnissen der drei verschiedenen Prüfverfahren ermittelt. Dieses bestätigt die oben diskutierten Ergebnisse. Somit belegt die vorliegende Arbeit, dass die Messbedingungen der jeweils angewendeten Messmethode in einem nicht unerheblichen Ausmaß mitbestimmen, welche der materialimmanenten Mechanismen während der Prüfkörperverformung ablaufen und welches Material daraus resultierend eine geringere oder eine größere Fähigkeit zur Dämpfung aufweist. Daher sollte eine optimal geeignete Messmethode den zu untersuchenden Prüfkörper möglichst in einer Weise belasten, welche den klinisch relevanten Bedingungen bestmöglich entspricht.
Obwohl jedes der drei untersuchten Prüfverfahren reproduzierbare Messergebnisse lieferte und das Phänomen der Dämpfung durch eine genau definierte und geeignete Kenngröße beschreibt, empfiehlt sich unter den drei vorgestellten Methoden dennoch die Rückprallhärte nach Leeb als das vermutlich sinnvollste Verfahren, um das Dämpfungsverhalten eines zahnärztlichen CAD/CAM-Restaurationsmaterials einfach, schnell und kostengünstig zu charakterisieren. The aim of the present work was in the comparison of three test methods that appear to be suitable for characterizing the damping behaviour of dental CAD/CAM materials under point loads. For this purpose, the damping behaviour of different CAD/CAM restoration materials was examined using the rebound hardness according to Leeb, the rebound elasticity according to Schob and the loss tangent of the dynamic-mechanical analysis, and different material groups were compared with regard to their energy-dissipating effect. In order to determine meaningful data, different test methods were selected, each of which exposed the materials to be examined to a point load. In order to ensure good reproducibility of the measurement data, measurement methods that are already known and established in the literature were selected.
In this thesis, at the beginning an overview of the literature data on the topic of damping in dental contexts is presented, and the general phenomenon of damping is explained taking the basic explanations of LAZAN [65] into account. Loss tangent data, which are usually determined by means of dynamic mechanical analysis, were selected as a measured value because of their high acceptance to describe damping effects. This parameter measures part of the energy dissipated when a material is strained in just the linear elastic deformation range [29, 75, 83]. The cyclic deformation of this method and its measuring principle is considered highly suitable for imitating human chewing cycles [130]. Two further dynamic test methods were selected: ‘Leeb rebound hardness’ and ‘Schob rebound resilience’. Both methods load a test specimen by impact, but with different kinetic energies and are based on the principle that the kinetic energy determined during the rebound of the respective impact body was not dissipated by the test body but instead recovered. Rebound methods therefore represent indirect measures of the damping properties of the materials investigated [61]. In everyday clinical practice, the test conditions of both methods present the dangerous situation of biting suddenly and unexpectedly on a very hard object. In the worst case, this incident results in tooth damage [18] or in the destruction of implant-supported restorations [141]. Accordingly, both rebound test methods represent a reliable technique to simply simulate harmful situations arising in clinical practice and to simultaneously characterise the damping properties of restorative materials.
In this study, all three test methods were used to investigate dental CAD/CAM restorative materials. The material groups examined – ceramic, polyetheretherketone (PEEK), polymethylmethacrylate (PMMA), hybrid and metal – represent a selection of frequently used materials in prosthetic dentistry. For each test method, test specimens with a specific geometry had to be prepared. After the respective measurements with the two rebound test methods (Leeb and Schob), selected specimen surfaces were evaluated via optical profilometry (FRT imaging) to characterise deviating damping mechanisms of the tested materials. The data sets obtained for loss tangent, rebound hardness (Leeb) and rebound elasticity (Schob) were pooled to obtain different material groups that were examined using an ANOVA (Analysis of Variance). All statistical evaluations were carried out using SPSS analysis software (version 26.0.0.0., IBM Corp., Armonk, NY, USA).
As a main result of the present work significant differences were found between the investigated CAD/CAM material groups concerning the respective mean values received for one of the three different test methods. Therefore, the null hypothesis that no significant differences exist between the mean values of the investigated CAD/CAM material groups regarding one of the three different test methods had to be rejected. Furthermore, it was found that the detected differences between the various material groups appear in a different extent and a varied sequence of the compared groups. This effect was strongly dependent on the applied test method. This result furthermore corroborates the above discussed findings. In summary the outcome demonstrates that the test conditions of a specific test method appear to clearly influence the extent of the material-inherent damping mechanisms being present during specimen deformation and, accordingly, substantially determine which material has a low or high capacity of material damping. Therefore, selecting a perfect test method to determine damping effects requires the test specimen to be loaded in a suitable way that most closely resembles clinically relevant situations.
Although each of the three different test methods used for the investigation of energy dissipation effects in this study provided reproducible data sets and described the phenomenon of damping using a precisely defined and suitable parameter, only the ‘Leeb rebound hardness’ may be recommended as the method that is probably most suitable to characterise the damping behaviour of dental CAD/CAM restorative materials in a simple, quick and cost-effective manner.