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Materialforschung Chemiker entwickeln neuartige Glaskeramiken für die Zahnmedizin

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Zähne werden beim Kauen stark beansprucht, daher muss auch Material für den Zahnersatz diesen hohen Kräften widerstehen können. Wissenschaftler der Universität Jena haben jetzt neuartige Glaskeramiken entwickelt, die eine bis zu fünf Mal höhere Festigkeit als herkömmliche Zahnersatzkeramiken besitzen.

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Der Glaschemiker Prof. Dr. Dr. Christian Rüssel von der Universität Jena. (Bild: Anne Günther/FSU)
Der Glaschemiker Prof. Dr. Dr. Christian Rüssel von der Universität Jena. (Bild: Anne Günther/FSU)

Jena – Das härteste Material des menschlichen Körpers wird von seinen kräftigsten Muskeln bewegt: Wenn wir herzhaft in einen Apfel oder ein Schnitzel beißen, wirken enorme Kräfte auf unsere Zahnoberflächen ein. „Was der natürliche Zahnschmelz aushalten muss, das gilt auch für Zahnersatz, wie Inlays oder Brücken“, sagt der Glaschemiker Prof. Dr. Dr. Christian Rüssel von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Schließlich werde dieser genauso beansprucht, wie die gesunden Zähne. Bisher verfügbare Keramikmaterialien eignen sich wenig als Materialien für Brücken, da hierzu die Festigkeit meist nicht ausreicht.

Hohe Festigkeit und gute optische Eigenschaften der neuen Glaskeramik

Jetzt ist es Prof. Rüssel und seinen Kollegen vom Otto-Schott-Institut für Glaschemie gelungen, neuartige Glaskeramiken mit einer nanokristallinen Struktur herzustellen, die aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihrer optischen Eigenschaften für den Einsatz in der Zahnmedizin geeignet erscheinen. Ihre Forschungsergebnisse haben die Glaschemiker der Universität Jena kürzlich veröffentlicht.

Die Glaskeramiken auf der Basis von Magnesium-, Aluminium- und Siliziumoxid zeichnen sich durch eine enorme Festigkeit aus. „Wir erreichen damit rund fünf Mal höhere Festigkeit als bei vergleichbaren, heute verfügbaren Zahnersatzkeramiken“, erläutert Prof. Rüssel. Die Jenaer Glaschemiker arbeiten bereits seit längerem an hochfesten Keramiken, bisher jedoch für Anwendungen in anderen Bereichen, etwa als Basis neuer leistungsfähiger Computerfestplatten. „Durch die Kombination mit neuen optischen Eigenschaften eröffnet sich für diese Materialien jetzt der Bereich der Zahnmedizin als weiteres Anwendungsfeld“, ist Prof. Rüssel überzeugt.

Materialien, die als Zahnersatz in Frage kommen sollen, dürfen sich optisch nicht von den natürlichen Zähnen unterscheiden. Dabei ist nicht nur der richtige Farbton wichtig. „Der Zahnschmelz ist auch teilweise durchscheinend, was die Keramik ebenfalls sein sollte“, so Prof. Rüssel.

Genaues Temperaturschema bestimmt die Kristallbildung

Um diese Eigenschaften zu erreichen, werden die Glaskeramiken nach einem genau festgelegten Temperaturschema hergestellt: Zunächst werden die Ausgangstoffe bei rund 1.500 °C geschmolzen, abgekühlt und fein zerkleinert. Anschließend wird das Glas erneut geschmolzen und wieder abgekühlt. Durch kontrolliertes Erhitzen auf rund 1.000 °C werden schließlich Nanokristalle erzeugt. „Diese Prozedur bestimmt die Kristallbildung, die für die Festigkeit des Produkts ausschlaggebend ist“, erläutert der Glaschemiker Rüssel. Doch das sei eine technische Gratwanderung. Denn ein zu stark kristallisiertes Material streut das Licht, wird lichtundurchlässig und sieht aus wie Gips. Das Geheimnis der Jenaer Glaskeramik liegt darin, dass sie aus Nanokristallen besteht. Diese haben eine durchschnittliche Größe von höchstens 100 Nanometern. „Sie sind zu klein, um das Licht stark zu streuen und deshalb wirkt die Keramik transluzent, wie ein natürlicher Zahn“, sagt Prof. Rüssel.

Bis die Materialien aus dem Jenaer Otto-Schott-Institut als Zahnersatz praktisch zum Einsatz kommen können, ist allerdings noch einiges an Entwicklungsarbeit notwendig. Doch die Grundlagen, da ist sich Prof. Rüssel sicher, sind geschaffen.

Original-Publikation: Dittmer M, Rüssel C.: Colorless and high strength MgO/Al2O3/SiO2 glass-ceramic dental material using zirconia as nucleating agent. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2011 Nov 21. doi: 10.1002/jbm.b.31972 xx

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