Zirkoniumdioxid, Tetragonal Zirconia Polycrystals (TZP-A), Alumina-toughened Zirconia (ATZ) – was ist der Unterschied?

> Zirkoniumdioxid und seine Verbundwerkstoffe: Was versteht man unter TZP-A und ATZ?

> Was ist der aktuelle Stand der Forschung bzgl. TZP-A & ATZ?

> Welche mechanischen und biologischen Vorteile bieten die Hochleistungskeramiken ATZ & TZP-A?

> Aus welchem Material werden Zeramex XT Implantate hergestellt?

Zirkoniumdioxid und seine Verbundwerkstoffe: Was versteht man unter TZP-A und ATZ?

Die klinische Anwendung moderner Zirkoniumdioxidkeramiken ist nicht mehr auf prothetische Versorgungen beschränkt. Zirkoniumdioxid (umgs. Zirkonoxid) wird auch erfolgreich als Implantatwerkstoff eingesetzt und ermöglicht ein metallfreies Versorgungskonzept (Tartsch & Blatz 2022). Es zeichnet sich durch hohe Bruchfestigkeit aufgrund hoher Härte und hoher Biegefestigkeit (Piconi & Maccauro 1999), hervorragende Biokompatibilität (Möller et al. 2012), verbesserte ästhetische Ergebnisse (Cosgarea et al. 2015), Hypoallergenität (Pessanha-Andrade et al. 2018), Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit (Sikora et al. 2018) sowie geringe Plaqueaffinität und Bakterienadhäsion (Scarano et al. 2004) aus. Es gibt jedoch verschiedene Arten von Zirkoniumdioxidkeramiken – mit ihren spezifischen mechanischen Eigenschaften, die einen Einfluss auf die Stabilität und Langlebigkeit von Implantaten und Implantatversorgungen in vivo haben können. 

Zirkoniumdioxid ZrO₂ (nicht zu verwechseln mit Zirkon, einem natürlichen Mineral, das aus Zirkoniumsilikat besteht) ist ein synthetischer Verbundwerkstoff, der üblicherweise in Pulverform verfügbar ist. Das Zirkoniumdioxidpulver wird chemisch aus Mineralien wie Baddelyit (ZrO₂) und Zirkonat (ZrSiO₄) gewonnen (Linsmeier 2015). Reines Zirkoniumdioxid gehört zur Gruppe der Oxidkeramiken und kann in drei Allotropen oder Phasen vorkommen: monoklin (m), tetragonal (t) und kubisch (c). Als monoklin (m) bezeichnet man die stabile Phase bis 1170 °C. Ab 1170 °C tritt eine tetragonale Phase ein, und bei Temperaturen über 2370 °C tritt eine kubische (c) Phase ein. Reines Zirkoniumdioxid, das bei über 1170 °C gesintert wird (ein thermisches Verfahren, bei dem die Partikel eines Werkstoffs zu einer festen, dichten Struktur verbunden werden), zerfällt beim Abkühlen aufgrund von Rissbildung. Um die Integrität von gesinterten Zirkoniumdioxidkörpern bei Raumtemperatur zu erhalten, wird es bei Raumtemperatur durch Legieren in der tetragonalen Phase stabilisiert (Chevalier & Gremillard 2008).

Die mikrokristalline Struktur von Zirkoniumdioxid liegt zunächst in einer instabilen monoklinen Phase vor. Durch heissisostatisches Pressen (HIP) des pulverförmigen Rohmaterials zu Rohlingen bei einem Druck von bis zu 2000 bar und einer Temperatur von 1170°C wird die instabile monokline Phase in die stabile tetragonale Phase umgewandelt. An diesem Punkt wird das Material als Tetragonal Zirconia Polycrystal (TZP) bezeichnet. Durch die Zugabe von 0,25 % Aluminiumoxid (TZP-A) wird die Biegefestigkeit von TZP auf bis zu 1200 MPa erhöht und verbessert seine Langlebigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen und in feuchter Umgebung (Ross et al. 2001; Li & Watanabe 1997; Tsubakino et al. 1991). 

Eine Erhöhung des Alumina-Anteils von 0,25 % auf 20 % erhöht die Biegefestigkeit des Werkstoffs auf > 1700 MPa. Alumina stabilisiert diesen weiter und reduziert oder blockiert die Rissausbreitung (Chevalier 2006). An diesem Punkt wird der Werkstoff als Aluminiumoxid-gehärtetes Zirkoniumdioxid (ATZ) bezeichnet.

Sowohl yitriastabilisierte als auch aluminiumoxidstabilisierte Verbundwerkstoffe können dem so genannten Transformation Toughening und/oder der Low-Temperature Degradation (LTD) ausgesetzt sein, die ihre Stabilität und Langlebigkeit in vivo beeinflussen.

Was ist der aktuelle Stand der Forschung bzgl. TZP-A & ATZ?

Aktuelle Daten weisen darauf hin, dass Zahnimplantate aus ATZ und TZP-A physiologischen Kaukräften in einem Zeitrahmen von 12,5 bis zu 40 Jahren standhalten können (Spiess et al. 2015). Gleichzeitig weist ATZ im Vergleich zu TZP-A einige Vorteile auf.

• Schneider et al. (2008) weisen darauf hin, dass ATZ im Vergleich zu Y-TZP (Chevalier et al. 1999; Chevalier et al. 1997) eine geringere Transformationssrate mit entsprechender Bruchfestigkeit und einer deutlich höheren Biegefestigkeit aufweist.
• ATZ (80% Y-TZP & 20% Aluminiumoxid) zeigt in feuchter Atmosphäre bei Körpertemperatur nach 50 Jahren in vivo einen verlangsamten Alterungsprozess im Vergleich zu 3Y-TZP, was von Chevalier et al. (1997) untersucht wurde.
• ATZ-Implantate zeigen eine höhere mechanische Stabilität im Vergleich zu Implantaten aus TZP-A (Kohal et al. 2010).
• Künstliche Belastung (10 Millionen Kauzyklen, die einem klinischen Zeitrahmen von 12,5 bis 40 Jahren entsprechen) und hydrothermale Alterung (die Prüfkörper wurden in destilliertem Wasser, das konstant auf 85 °C erhitzt wurde, gelagert) verringern die Bruchfestigkeit der zweiteiligen ATZ-Implantate nicht (Kohal et al. 2023).

Welche mechanischen und biologischen Vorteile bieten die Hochleistungskeramiken ATZ & TZP-A?

ATZ & TZP-A sind modernste Werkstoffe, die sich durch hohe Bruchfestigkeit, hohe Biegefestigkeit (Piconi & Maccauro 1999), hervorragende Biokompatibilität (Möller et al. 2012), verbesserte ästhetische Ergebnisse (Cosgarea et al. 2015), Hypoallergenität (Pessanha-Andrade et al. 2018) sowie Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit (Sikora et al. 2018) auszecihnen. Darüber hinaus zeichnen sich die Werkstoffe durch Langlebigkeit und Stabilität bei hohen Temperaturen und in feuchter Umgebung aus (Ross et al. 2001; Li & Watanabe 1997; Tsubakino et al. 1991).

Aus welchem Material werden Zeramex XT Implantate hergestellt?

Zeramex XT-Implantate inkl. Standard-Abutments werden aus ATZ (76 wt% ZrO₂, 20 wt% Al₂O₃ & 4 wt% Y₂O₃) hergestellt. 

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