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Die Erfindung betrifft einen Zahnersatz, enthaltend zumindest einen Grundkörper, welcher ein erstes Material enthält oder daraus besteht und zumindest eine Deckschicht, welche ein zweites Material enthält oder daraus besteht, wobei die Deckschicht zumindest auf einer Teilfläche des Grundkörpers angeordnet ist.
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Aus der Praxis ist ein Zahnersatz der eingangs genannten Art bekannt. Dieser Zahnersatz ist dem natürlichen Zahn nachempfunden, welcher eine steife äußere Schicht aufweist, den Zahnschmelz. Dieser ist auf einem weicheren Grundkörper angeordnet, dem Dentin. Somit nimmt die Steifigkeit des natürlichen Zahnes von der mit der Nahrung in Kontakt stehenden Außenseite zum Zahninneren ab.
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Auch bei der aus der Praxis bekannten Herstellung von Zahnersatz wird ein Grundkörper aus Metall oder Keramik durch Fräsen oder Laserbearbeitung in die gewünschte Form gebracht. Dieser Grundkörper wird nachfolgend durch den Zahntechniker mit einer steifen Keramik verblendet, welche einerseits eine verschleißfeste Wirkfläche zur Zerkleinerung der Nahrung bereitstellt und andererseits farblich so gestaltet ist, dass sich der Zahnersatz ästhetisch ansprechend in das Gebiss des Patienten einfügt.
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Dieser bekannte Zahnersatz weist den Nachteil auf, dass er bei extremen Kaubelastungen Schädigungen erleiden kann. Ein Versagensmechanismus ist das Abplatzen einzelner Bereiche des Zahnersatzes bei unzulässig großen mechanischen Spannungen. Solche Schadbilder können beispielsweise durch Himbeerkerne verursacht werden. Der Himbeerkern tritt im vermeintlich weichen Material auf, d. h. die kauende Person hat keinerlei Beißhemmung. Gleichzeitig verursacht der kleine Kern eine hohe lokale Flächenpressung, falls er zwischen zwei Molare gerät. Dadurch können lokale Belastungsspitzen auftreten, welche den Zahnersatz versagen lassen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zahnersatz anzugeben, welcher eine größere mechanische Belastbarkeit und dadurch eine vergrößerte Lebensdauer aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zahnersatz gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Zahnersatz vorgeschlagen, welcher zumindest einen Grundkörper und zumindest eine Deckschicht enthält. Der Grundkörper besteht aus bzw. enthält ein erstes Material mit einer ersten Steifigkeit und die Deckschicht besteht aus bzw. enthält ein zweites Material mit einer zweiten Steifigkeit. Dabei soll die Steifigkeit des zweiten Materials geringer sein als die Steifigkeit des ersten Materials. Insofern beschreitet die Erfindung erstmalig einen völlig neuen Weg, die Steifigkeitsverteilung nicht analog zum natürlichen Vorbild anzulegen, sondern ein weiches Material außen und ein relativ dazu steiferes Material innen anzuordnen. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass Zugspannungen an der Oberfläche bei der zu erwartenden Kaubelastung minimiert werden können. Dadurch werden die Scherspannungen im Inneren des Zahnersatzes geringer, sodass Abplatzungen nicht mehr oder im geringeren Maße auftreten.
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Die Deckschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke von weniger als 1 mm, weniger als 900 µm, weniger als 500 µm, weniger als 200 µm, weniger als 100 µm, weniger als 50 µm oder weniger als 20 µm aufweisen. Eine solche Deckschicht weist einerseits die für eine natürliche Farbgebung notwendige Mindestdicke auf, zeigt einen hinreichend großen Verschleißschutz und ist geeignet, auftretende mechanische Spannungen auf den Grundkörper abzutragen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest die Deckschicht mittels eines generativen Herstellungsverfahrens erhältlich sein. Unter einem generativen Fertigungsverfahren wird eine Fertigung direkt auf der Basis eines Datenmodells verstanden, wobei aus formlosem Material wie Flüssigkeiten oder Pulver mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse ein Formkörper gefertigt wird. Obwohl es sich um urformende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes verkörpern, wie z.B. Gussformen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest die Deckschicht mittels zumindest einem der folgenden Verfahren erhältlich sein: Stereolithografie, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, Fused Deposition Modeling, Robocasting, 3D Printing und/oder Kaltgasspritzen.
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Die Steifigkeit beschreibt den Widerstand eines Körpers gegen Verformung durch eine Kraft oder ein Drehmoment. Insoweit ist die Steifigkeit im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Maß für den Elastizitätsmodul bzw. den Schubmodul. Dieser kann in an sich bekannterweise durch einen Eindringkörper mit einem Indenter bestimmt werden, welcher stetig mit vorgebbarer Prüfkraft in das erste Material bzw. in das zweite Material eindringt. Die örtliche Verformung wird beispielsweise lichtmikroskopisch gemessen. Der Betrag des Elastizitätsmoduls ist umso größer, je mehr Widerstand ein Material seiner Verformung entgegensetzt.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Material gradiert in das zweite Material übergehen. Durch die Gradierung wird zum einen eine besonders gute Haftung der Deckschicht auf dem Grundkörper ermöglicht, sodass die Lebensdauer des Zahnersatzes weiter vergrößert wird. Weiterhin können Belastungen besser von der Deckschicht auf den Grundkörper übertragen werden, sodass Scherspannungen im Inneren des Zahnersatzes weiter reduziert werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen der Deckschicht und dem Grundkörper zumindest eine Zwischenschicht angeordnet sein, welch ein drittes Material enthält und daraus besteht, wobei die Steifigkeit des dritten Materials größer ist als die Steifigkeit des zweiten Materials. Diese Ausführungsform erlaubt einen mehrschichtigen Aufbau des Zahnersatzes, wobei die Steifigkeit von außen an der Kaufläche nach innen zunimmt. Sofern die Deckschicht gradiert in die Zwischenschicht übergeht und die Zwischenschicht gradiert in das Material des Grundkörpers übergeht, nimmt die Steifigkeit kontinuierlich von außen nach innen zu, sodass Spitzenlasten besonders gut in den Grundkörper abgetragen werden können. Unter einem gradierten Übergang wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Bestandteile bzw. das Elementinventar und/oder die Bindungsverhältnisse des ersten Materials allmählich abnimmt, wohingegen das Elementinventar bzw. die Bestandteile und/oder die Bindungsverhältnisse des zweiten Materials in gleichem Maße zunehmen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Deckschicht bzw. die Deckschicht und die Zwischenschicht zusammen eine Dicke von mehr als 10 µm oder mehr als 100 µm oder mehr als 500 µm aufweisen. Schichten dieses Dickenbereiches sind einerseits optisch dicht, sodass eine optische Beeinträchtigung des Zahnersatzes durch eine unphysiologische Farbe des Grundkörpers vermieden wird. Weiterhin sind diese Schichtdicken hinreichend, um mechanische Spannungen so weit zu kontrollieren, dass ein unerwünschtes Abplatzen und damit ein Versagen des Zahnersatzes vermieden wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material ein Metall oder eine Legierung oder eine Keramik oder einen Kunststoff oder ein auf Kunststoff basierendes Komposit enthalten oder daraus bestehen. Diese Materialklassen können einerseits in unterschiedlichen Steifigkeiten hergestellt werden, sodass eine entsprechende Materialkombination gefunden werden kann, welche die Anforderungen an Farbe und Verschleißschutz erfüllen und andererseits den gewünschten Steifigkeitsverlauf im Zahnersatz ermöglichen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Deckschicht und/oder die Zwischenschicht und/oder der Grundkörper aus einem Mehrlagensystem bestehen. Ein Mehrlagensystem kann zwischen etwa 2 und etwa 200 Einzelschichten oder etwa 5 bis etwa 50 oder etwa 2 bis etwa 50 oder etwa 3 bis etwa 40 oder etwa 4 bis etwa 100 Einzelschichten umfassen. Die Dicke einer Einzelschicht kann in Abhängigkeit der Gesamtschichtdicke und der Anzahl der Einzelschichten gewählt sein und zwischen etwa 500 nm und etwa 3 µm oder zwischen etwa 1 µm und etwa 2 µm betragen. Ein solches Mehrlagensystem kann dazu beitragen, die Lebensdauer des Zahnersatzes zu verlängern. Die Einzelschichten des Mehrlagensystems können mit einer definierten Grenzfläche ineinander übergehen oder selbst wieder gradierte Übergänge zueinander aufweisen. Im Grenzbereich sehr dünner Einzelschichten, welche gradiert ineinander übergehen, kann sich der Eindruck eines kontinuierlichen Materialüberganges von der Deckschicht über die optionale Zwischenschicht in den Grundkörper ergeben.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material eine Glaskeramik und/oder eine Oxidkeramik, wie beispielsweise ZrO2 und/oder Y2O3 und/oder MgO und/oder Al2O3 enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material ein Spinell enthalten oder daraus bestehen. Eine Oxidkeramik kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Oxid der dritten oder vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente sein.
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Einfache Oxide können durch Zusätze in ihren Eigenschaften verändert werden. Beispielsweise kann eine Dispersionskeramik aus Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid und Aluminiumoxid gebildet sein. Eine andere Dispersionskeramik kann aus Aluminiumoxid gebildet sein, welches Zusätze von Zirkonoxid oder Titancarbid enthält. Auf diese Weise kann durch Variation der Zusammensetzung der Materialien deren Steifigkeit verändert werden. Hierdurch kann der Fachmann leicht ein Materialsystem finden, welches den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Steifigkeitsverlauf aufweist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Steifigkeit durch heißisostatisches Pressen beeinflusst werden, welches zur Verringerung der Restporosität führt.
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Unter einem Spinell soll eine anorganische Festkörperverbindung der allgemeinen Zusammensetzung MIIMIII2O4 verstanden werden. In diesen Verbindungen liegen gemäß der Summenformel zwei Metalle in unterschiedlichen Oxidationsstufen vor. Die Struktur eines Spinells besteht aus einer kubisch dichtest gepackten Anordnung von Oxid-Anionen O2−, die pro Elementarzelle vier Oktaederlücken sowie acht Tetraederlücken erzeugen. Beispielsweise trägt im ZnAl2O4 das Zn die Oxidationsstufe +II, das Al die Oxidationsstufe +III. Aus der höheren Ladung des Al geht ein Bestreben nach einer höherer Koordinationszahl hervor, welches sich im ZnAl2O4 dahingehend auswirkt, dass das Al in Oktaederlücken des O2–-Gitters zu liegen kommt, während Zn2+-Ionen die Tetraederlücken besetzen. Es ist aus der Summenformel ersichtlich, dass eine Elementarzelle neben vier Oxid-Ionen ein Zn-Ion sowie zwei Al-Ionen enthält. Strukturell besetzen die Al3+-Ionen die Hälfte aller Oktaederlücken, wobei 1/8 aller Tetraederlücken von Zn2+ besetzt sind.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der vorgeschlagene Zahnersatz dadurch erhältlich sein, dass zumindest zwei Schichten eines Schlickers aufeinander abgeschieden werden, welche nachfolgend gehärtet werden, beispielsweise durch UV-Licht, Lasermaterialbearbeitung, chemisches Härten oder thermisches Härten. Unter einem Schlicker wird dabei für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eine Suspension aus Partikeln in einer Flüssigkeit verstanden. Eine unterschiedliche Zusammensetzung des Schlickers führt damit zu unterschiedlichen Schichten. Der Schlicker kann beispielsweise durch Tauchen oder Spritzen aufgebracht werden. Durch mikromechanische Düsen und Pumpen kann der Schlicker nach Art eines Tintenstrahldruckers in einer dreidimensionalen Form aufgesprüht werden, sodass neben der Steifigkeitsgradierung auch eine dreidimensionale, geometrische Gestaltung des Zahnersatzes möglich ist.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 einen Querschnitt durch einen Zahnersatz gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt einen Querschnitt durch einen Zahnersatz gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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3 erläutert den Schichtaufbau in einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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4 erläutert den Schichtaufbau gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen Zahnersatz 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist ein Schnitt durch einen Kieferknochen 35, welcher von der Gingiva 30 umgeben ist.
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Der Zahnersatz 1 enthält ein Implantat 25 aus einem Metall oder einer Legierung, welches in den Kieferknochen 35 eingesetzt ist. Der Zahnersatz 1 umfasst weiterhin einen Zahn 1, welcher wiederum aus einem Grundkörper 11, einem Verankerungselement 20 und zumindest einer Deckschicht 12 zusammengesetzt ist. Das Verankerungselement 20 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung aus einem Metall oder einer Legierung bestehen und bildet die Verankerung zum Implantat 25. Auf diese Weise können die bei Kaubelastung auftretenden Kräfte über das Implantat 25 auf den Kieferknochen 35 abgetragen werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Verankerungselement 20 und das Implantat 25 einstückig hergestellt sein bzw. das Verankerungselement 20 ist Teil des Implantates 25.
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Um das Verankerungselement 20 ist eine Zahnkrone 10 angeordnet. Die Zahnkrone 10 enthält einen Grundkörper 11, welcher mit dem Verankerungselement 20 durch Kleben oder durch Formschluss verbunden sein kann. Hierzu kann der Grundkörper 11 um das Verankerungselement 20 herum gesintert werden.
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Der Grundkörper 11 enthält zumindest ein erstes Material, welches in einigen Ausführungsformen der Erfindung aus einem Metall, einer Legierung oder einer Keramik ausgewählt ist. Beispielsweise kann das erste Material eine Glaskeramik, ein Spinell oder eine Oxidkeramik sein. Sofern für das erste Material eine Oxidkeramik gewählt wird, kann diese Zirkonoxid, Yttriumoxid, Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid enthalten. Der Grundkörper 11 muss nicht zwingend aus einem einzigen Material bestehen. Zur Anpassung der Steifigkeit des Grundkörpers 11 kann dieser wärmebehandelt werden und/oder Dotierstoffe enthalten und/oder einen geschichteten Aufbau aufweisen, bei welchem mehrere Materialien übereinander angeordnet sind.
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Den äußeren Abschluss der Zahnkrone 10 bildet die Deckschicht 12 bzw. deren Oberfläche 125. Die Deckschicht 12 enthält zumindest ein zweites Material. Das zweite Material kann ebenfalls ausgewählt sein aus einem Metall oder einer Legierung oder einer Keramik. Eine Keramik kann eine Glaskeramik, ein Spinell oder eine Oxidkeramik enthalten oder daraus bestehen. Daneben kann auch die Deckschicht 12 mit Dotierstoffen versehen sein, um die Steifigkeit oder die Farbe an vorgebbare Sollwerte anzupassen.
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Wesentlich für die Erfindung ist nun, dass die Deckschicht 12 anders als beim natürlichen Vorbild und anders als bei bisher verwendetem Zahnersatz eine geringere Steifigkeit aufweist als der Grundkörper 11. Die Steifigkeit kann dabei in an sich bekannterweise durch eine Eindringprüfung bestimmt werden oder aus der Materialzusammensetzung theoretisch bestimmt werden. Durch die geringere Steifigkeit der Deckschicht 12 kann das Auftreten unzulässig großer mechanischer Spannungen an der Grenzfläche 121 zwischen der Deckschicht 12 und dem Grundkörper 11 vermieden werden, sodass ein Abplatzen der Deckschicht 12 vermieden wird. Diese vorteilhafte Wirkung kann verstärkt werden, wenn die Grenzfläche 121 nicht scharf ausgebildet ist, sondern ein gradierter Übergang zwischen der Deckschicht 12 und dem Grundkörper 11 vorgesehen ist, d. h. das Elementinventar bzw. die Schichtzusammensetzung ändert sich kontinuierlich in Abhängigkeit des Abstandes von der Oberfläche 125.
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Die Schichtdicke der Deckschicht 12 kann in unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung unterschiedlich sein und in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 10 µm und etwa 500 µm betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schichtdicke der Deckschicht 12 inhomogen sein, sodass an Zonen unterschiedlicher Belastung unterschiedliche Schichtdicken vorgesehen sind.
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2 zeigt den Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt. Die Unterschiede betreffen im Wesentlichen das Implantat 25, welches gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung durch einen natürlichen Zahn 31 ersetzt ist. Die natürliche Zahnkrone kann zylindrisch oder konisch beschliffen sein. Auch an der Kaufläche wird so viel Material abgetragen, dass genügend Platz zum Gegengebiss ist. Der so präparierte Zahnstumpf 31 wird mit einer Abformmasse abgeformt. Somit kann die Zahnkrone 10 passgenau zum Zahnstumpf 31 und zum verbleibenden Gebiss angefertigt und durch Kleben auf dem Zahn 31 befestigt werden.
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Die Zahnkrone 10 enthält wie vorstehend beschrieben zumindest einen Grundkörper 11 und zumindest eine Deckschicht 12. Die exponierte Oberfläche 125 der Deckschicht 12 bildet die Kaufläche der Krone 10. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Deckschicht 12 und/oder der Grundkörper 11 aus unterschiedlichen Metallen, Legierungen oder Keramiken gefertigt sein, sodass sich der vorgeschlagene Steifigkeitsverlauf ergibt, nämlich ein vergleichsweise steifer Grundkörper 11 und eine relativ dazu weichere Deckschicht 12.
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3 zeigt nochmals einen Ausschnitt aus einer Zahnkrone 10. Die Zahnkrone 10 weist einen Grundkörper 11 aus zumindest einem ersten Material auf. Die Kaufläche bildet die exponierte Außenseite 125 der Deckschicht 12. Zwischen der Deckschicht 12 und dem Grundkörper 11 ist eine optionale Zwischenschicht 13 angeordnet, mit welcher die Haftfestigkeit der Deckschicht 12 verbessert werden kann und/oder welche einen besseren Abtrag der in die Deckschicht 12 eingeleiteten Druckkräfte ermöglicht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist die Zwischenschicht 13 eine größere Steifigkeit auf als die Deckschicht 12. Im Vergleich zum Grundkörper 11 kann die Steifigkeit der Zwischenschicht 13 geringer sein, sodass sich ein monoton ansteigender Steifigkeitsverlauf von der Oberfläche 125 in Richtung des Grundkörpers 11 ergibt.
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Zur Herstellung des in 3 skizzierten Schichtverlaufes kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein dreidimensionales Druckverfahren verwendet werden. Hierzu werden Keramikpartikel in einer Flüssigkeit suspendiert und mittels mikromechanisch gefertigter Düsen auf die Oberfläche eines Grundkörpers aufgesprüht. Durch unterschiedliche Zusammensetzung der Suspension, welche nachfolgend als Schlicker bezeichnet wird, können unterschiedliche Materialien abgeschieden werden, sodass sich der gewünschte Verlauf der Steifigkeit ergibt. Durch Verringern der Konzentration bzw. Mischen von Schlickern können gradierte Übergänge erzeugt werden. Ein Schlicker kann durch eine chemische Reaktion, UV-Bestrahlung oder thermisch ausgehärtet werden. Zwischen dem Aufbringen zweier Schlicker kann die sich jeweils ergebende Oberfläche durch Materialabtrag geglättet werden.
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4 zeigt nochmals einen Schnitt durch einen Teil einer Zahnkrone 10. Im dargestellten Ausführungsbeispiel nach 4 enthält die Deckschicht 12 eine Mehrzahl von Einzelschichten 12a, 12b, 12c und 12d. Die auch in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzte optionale Zwischenschicht 13 ist aus einer Mehrzahl von Einzelschichten 13a, 13b, 13c und 13d zusammengesetzt. Insoweit besteht die Deckschicht 12 ebenso wie die Zwischenschicht 13 aus einem Mehrlagensystem. In gleicher Weise könnte auch der Grundkörper aus einem Mehrlagensystem aufgebaut sein. Eine Einzelschicht 12a, 12b, 12c, 12d, 13a, 13b, 13c oder 13d kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 5 µ aufweisen. Der Übergang zwischen den Einzelschichten kann gradiert oder stufenförmig verlaufen. Die Einzelschichten des Mehrlagensystems können eine identische oder eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen. Durch nachfolgendes Tempern können die Bestandteile der Einzelschichten diffundieren, sodass sich wieder eine homogene Deckschicht 12 bzw. eine homogene Zwischenschicht 13 ausbildet. Ein solches Mehrlagensystem erlaubt eine besonders sorgfältige Anpassung des Steifigkeitsverlaufes und/oder eine optimale Farbanpassung an das verbleibende Gebiss, indem Einzelschichten in unterschiedlicher Farbe und/oder transluzent ausgebildet werden und so den Eindruck eines natürlichen Zahnes besonders gut reproduzieren.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus.
