DE10332802A1

DE10332802A1 - Verfahren zur Herstellung einer belastbaren Struktur aus Oxidkeramik, insbesondere aus Zirkoniumdioxid

Info

Publication number: DE10332802A1
Application number: DE10332802A
Authority: DE
Inventors: Roland Zita
Original assignee: MEDICERAM CHIRURGISCHE IMPLANT; MEDICERAM CHIRURGISCHE IMPLANTATE GmbH
Current assignee: MEDICERAM CHIRURGISCHE IMPLANT; MEDICERAM CHIRURGISCHE IMPLANTATE GmbH
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2004-03-11
Also published as: ATA10992002A; AT411816B

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen einer belastbaren Struktur aus Oxidkeramik, insbesondere Zirkoniumdioxid, als Ersatz für Defektstellen, beispielsweise als gerüstartiger Unterbau für einen Zahnersatz oder als Knochenersatz, umfasst das Abnehmen eines Ist-Zustandes an einer Defektstelle, Einscannen in eine CAD-Computeranlge, Modellieren bzw. Rekonstruieren eines Ersatzstückes am Bildschirm, Vergrößern des virtuellen Ersatzstückes und computergesteuertes Herstellen eines Kunststoffmodells. Die Vergrößerung entspricht der Materialschrumpfung der Oxidkeramik, insbesondere von Zirkoniumdioxid, beim Sintern. Aus einem Zirkonsubstrat wird im Wege der Elektrophorese Zirkoniumdioxid auf leitend gemachten Flächen des Kunststoffmodells abgeschieden, sodass sich ein Rohling ergibt, der bearbeitet und sodann durch Sintern im Brennofen erhärtet und dabei auf die gewünschte Größe reduziert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer belastbaren Struktur aus Oxidkeramik, insbesondere aus Zirkoniumdioxid oder Zirkon (Zirkondioxid), als Ersatzstück an Defektstellen im Human- oder Veterinärbereich, beispielsweise als gerüstartige Struktur für einen Zahnersatz oder als Knochenersatzstück, wobei von einer Abformung der Defektstelle und einem Abguss oder einer optoelektrischen Erfassung der Defektstelle ausgehend ein Ersatzstück unter Berücksichtigung von Abständen bzw. Zwischenräumen zur Defektstelle für ein Einkleben, Einzementieren oder Einschrauben mit Abmessungen hergestellt wird, das zur Kompensation eines späteren Sinterschrumpfes im Ausmaß des Sinterschrumpfes vergrößert ist, wobei das Ersatzstück vorzugsweise durch Silberlack bereichsweise leitfähig gemacht und in einem Bad zum elektrophoretischen Auftragen von Oxidkeramik, insbesondere von Zirkoniumdioxid oder Zirkon (Zirkondioxid) unter Vorwahl einer Stromstärke eingebracht wird und nach einer Verweilzeit ein Rohling (Grünling) über den leitfähig gemachten Bereichen entsteht, der allenfalls bearbeitet und sodann unter Dimensionsverlust gesintert wird.

Im Bereich der Zahnprothetik werden für Einzelgerüste, Brückengerüste sowie Implantatsuprastrukturen Zirkonium bzw. dessen Oxide (z.B. Oxidkeramiken, Zirkon) als besonders verträgliches Material eingesetzt. Dieses steht als vorgesinterter Block zur Verfügung, der mittels einer programmgesteuerten CNC-Fräse gemäß der gewünschten Struktur bearbeitet wird. Die Bearbeitung ist natürlich nur für Formgestaltungen möglich, die mit Hilfe eines 3D-geführten Fräsers hergestellt werden können. Zudem ist zu beachten, dass beim nachfolgenden Aussintern des Werkstückes eine Einschrumpfung eintritt, die bei der Steuerung des Fräsers im Rahmen der CNC-Bearbeitung berücksichtigt werden muss. Wenn man einen Block aussintert und damit auf ein Endmaß bringt, ermöglicht die Härte des ausgesinterten Materials keine Bearbeitung mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln. Auch andere Oxidkeramiken, wie etwa Aluminiumoxid, kommen zur Anwendung.

Ferner ist z.B. aus der DE 198 28 003 A1 oder auch aus der WO 01/85040 A1 bekannt, eine Defektstelle bei Zähnen im Mund eines Patienten photoelektronisch zu erfassen und auf einem Datenträger abzuspeichern. Ein Zahntechniker verfügt über eine Anlage, die bei Eingabe der Daten des übermittelten Datenträgers ein genaues Abbild der Defektstelle wiedergibt und es dem Zahntechniker ermöglicht, am Bildschirm ein Ersatzstück an der Defektstelle zu rekonstruieren. Mit Hilfe einer sogenannten Rapid Prototyping Machine wird dieses Ersatzstück aus dem gewünschten Material selbsttätig geformt.

In der nicht vorveröffentlichten WO 02/076321 A2 wird die Herstellung eines Ersatzstückes an Hand eines Abdruckes einer Defektstelle aus Dentalgips beschrieben. Dieser Dentalgips verfügt über die Eigenschaft einer erhöhten linearen Abbindeexpansion von etwa 8 bis 10%. Durch wiederholte Abformung des vergrößerten Gipsmodells mit expandierendem Dentalgips können höhere Vergrößerungen erreicht werden, die dem Schrumpfen des auf dem Gipsmodell elektrophoretisch aufgebauten Grünkörpers aus Oxidkeramik beim Sintervorgang entsprechen.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren anzugeben, mit dem einerseits die Vorteile von Zirkonium bzw. dessen Oxiden, Zirkoniumoxid bzw. Zirkoniumdioxid mit Yttriumoxid teilstabilisiert und von Aluminiumoxid hinsichtlich Haltbarkeit, Belastbarkeit und Verträglichkeit wie auch die Vorteile moderner computergesteuerter Herstellverfahren von Ersatzstücken benützt und anderseits die Nachteile einer spanabhebenden Bearbeitung und insbesondere des unregelmäßigen Schrumpfens vermieden werden. Dies wird dadurch erreicht, dass das Ersatzstück als dreidimensionales Computermodell in einer CAD-Anlage virtuell aufgebaut bzw. rekonstruiert wird und das Computermodell im Computer virtuell dem Sinterschrumpf entsprechend vergrößert wird, dass von dem vergrößerten virtuellen Computermodell ein Kunststoffmodell selbsttätig im bekannten Rapid Prototypingverfahren hergestellt und auf diesem der Grünling elektrophoretisch aufgebaut wird, wobei das Kunststoffmodell vorzugsweise beim Sintern verbrennt und die maßgenaue Struktur zurückbleibt.

Nach einer Abformung einer Defektstelle z.B. im Dentalbereich oder mittels einer Erfassung der Defektstelle durch ein bildgebendes räumliches Verfahren durch den Zahnarzt wird ein genaues Abbild am Computer dargestellt. Über diesem wird im Wege einer CAD-Bearbeitung durch den Techniker eine technische Struktur aufgebaut. Diese Rekonstruktion über dem Defektbereich wird aus Kunststoff um den Schrumpffaktor der Oxidkeramik, insbesondere des Zirkons bzw. Zirkoniumdioxids, vergrößert mittels Rapid Prototyping gefertigt und so steht ein vergrößerter Grünling, der im Wege der Elektrophorese über dem vergrößerten Kunststoffmodell entstanden ist, zur Verfügung. Der vergrößerte Grünling kann sehr leicht bearbeitet werden, sollte dies notwendig sein. Durch die Elektrophorese lassen sich Formkörper beliebiger Geometrie – also auch mit diffizilen Hinterschneidungen – herstellen, die durch eine Fräsbearbeitung nicht realisierbar sind. Auch variable Wandstärken sind machbar. Wenn der Grünling sodann gesintert wird, verbrennt das Kunststoffmodell, und es steht nach der planmäßigen Schrumpfung ein maßgenaues, verschleißfestes und hochbelastbares Werkstück als Dentalgerüst oder Knochenersatzteil zur Verfügung. Wesentlich ist, dass die Anlagefläche der geschaffenen Struktur aus Oxidkeramik im Öffnungsbereich exakt und dicht an einer Absatzfläche im Sockelbereich des Zahnstumpfes anschließt. So werden Druckkräfte und allfällige Drehmomente auf die Zahnwurzel übertragen. Das Zirkoniumoxid ist als Träger für Beschichtungen, z.B. aus Keramik, hervorragend geeignet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachfolgend an Hand eines graphisch dargestellten Beispieles mit 12 Schritten beschrieben.
Ausgegangen wird im Schritt 1 von einem Zahnstumpf 1, der für eine Zahnkrone, Brücke od. dgl. vom Zahnarzt in die mit vollen Linien dargestellte Form gebracht wurde. Die Zahnwurzel schließt nach unten an. Es soll die ursprüngliche Form eines Zahnes 2, wie sie mit strichlierten Linien dargestellt ist, wieder hergestellt werden.
Dazu wird im Schritt 2 vom Zahnarzt eine Abformung 3 mit einer Abformmasse hergestellt, der neben den benachbarten Zähnen und dem Gegenbiss das Negativ des Zahnstumpfes 1' wiedergibt. Das körperliche Abformen kann auch durch ein optisches Abtasten und topographisches Erfassen des Zahnstumpfes 1 mittels einer oder mehrerer Kameras und eines Computers erfolgen.
Zu Schritt 3 wird mit Hilfe der Abformung 3 oder der aufgenommenen Daten ein Positiv 4 im Labor hergestellt ("Gipsmodell"), das dem Zahnstumpf 1 entspricht. Dieses Positiv 4 wird im Schritt 4 mittels eines Scanners in eine CAD-Anlage 5 eingegeben bzw. es wird die 3D-Bildinformation des Zahnstumpfes 1 direkt von der Aufnahme am Patienten der CAD-Anlage 5 übermittelt. Der Zahntechniker formt bzw. rekonstruiert bzw. modelliert am Bildschirm der CAD-Anlage auf dem dreidimensional erfassten Zahnstumpf 1 eine Ersatzstruktur 6 als Basis für ein Oxidkeramikgerüst. Diese Ersatzstruktur 6 liegt vorerst nur als Computertopographie virtuell, durch Computerdaten definiert, vor.
Im Schritt 5 werden alle diese Daten um das beim Sintern auftretende Schrumpfungsmaß bzw. den Schrumpfungsfaktor (z.B. 30%) des letztlich verwendeten Materials, nämlich beispielsweise Zirkon, Zirkoniumoxid bzw. Zirkoniumdioxid vergrößert, sodass sich vorerst eine im Datenspeicher der CAD-Anlage abgespeicherte vergrößerte Ersatzstruktur ergibt. Durch ein bekanntes Rapid Prototypingsystem, also eine computergesteuerte Modellfertigung, die an die CAD-Anlage angeschlossen ist, wird im Schritt 6 ein um das Schrumpfmaß von Zirkonium bzw. dessen Oxiden oder der verwendeten Oxidkeramik vergrößertes Kunststoffmodell 7 automatisch hergestellt. An jenen Flächen, die später aus Zirkoniumoxid oder Oxidkeramik bestehen sollen, wird ein leitender Lack, z.B. Silberlack, auf das Kunststoffmodell 7 aufgebracht. Im Schritt 7 wird auf diesen leitfähigen Flächen im Wege der Elektrophorese aus einem Substrat in einer Wanne, in welche das Kunststoffmodell 7 vollständig eintaucht, Zirkoniumdioxid abgeschieden. Je nach Stromstärke und Verweilzeit in diesem Bad kann die Wandstärke des Auftrages bestimmt werden. Es entsteht ein Rohling, der als Grünling 8 bezeichnet wird.
Dieser Grünling 8 wird im Schritt 8 zusammen mit dem Kunststoffmodell 7 aus dem Bad genommen. Das Kunststoffmodell 7 trägt zur Festigkeit des Grünlings bei der Zwischenmanipulation bei. Im Schritt 9 kann der Grünling 8 problemlos nachbearbeitet werden. Sollte dies erforderlich sein, so kann dies durch Hand-arbeit oder auf einer 3D CNC-Maschine durchgeführt werden (z.B. auf der Fläche 9 oder im Anlagebereich an der Basis des Stumpfes 1).
Jetzt erst erfolgt im Schritt 10 das Sintern in einem Brennofen. Der Sinterprozess verleiht der Struktur eine Härte und Festigkeit, die eine formgebende Bearbeitung danach praktisch ausschließt. Beim Sintern schrumpft das Zirkoniumdioxid um jenes Maß (also z.B. 30%), welches vorab bei der Herstellung des Kunststoffmodells 7 zugeschlagen wurde. Es liegt dann eine Struktur 10 für ein Ersatzstück 11 vor. Das Kunststoffmodell 7 verbrennt beim Sintervorgang.
Im Schritt 11 erfolgt nach dem Sintern allenfalls eine geringfügige Nachbearbeitung der nunmehr den gewünschten Abmessungen entsprechenden Struktur 10, die im Schritt 12 beispielsweise mit Keramik 12 beschichtet wird, um als Zahnersatz unmittelbar auf den Zahnstumpf 1 aufzementiert zu werden.
Auf diese Weise können also regelmäßig oder unregelmäßig geformte Formteile speziell für die Zahnprothetik als Einzelgerüste, Brückengerüste, Implantatsuprastrukturen sowie Implantate in der Human- und Veterinärmedizin aus Zirkonium hergestellt werden. Ebenso können Knochendefektstellen durch Ersatzstücke aus Oxidkeramik wie Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid ersetzt werden. Der Hohlraum, der zwischen dem Zahnstumpf 1 und der Struktur 10 aus Zirkoniumdioxid auftritt, entspricht dem reduzierten Kunststoffmodell 7, also ohne Vergrößerungsfaktor. Dieser Abstand oder Hohlraum wird durch Zement ausgefüllt, der die feste Verbindung herstellt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer belastbaren Struktur aus Oxidkeramik, insbesondere aus Zirkoniumdioxid oder Zirkon (Zirkondioxid), als Ersatzstück an Defektstellen im Human- oder Veterinärbereich, beispielsweise als gerüstartige Struktur für einen Zahnersatz oder als Knochenersatzstück, wobei von einer Abformung der Defektstelle und einem Abguss oder einer optoelektrischen Erfassung der Defektstelle ausgehend ein Ersatzstück unter Berücksichtigung von Abständen bzw. Zwischenräumen zur Defektstelle für ein Einkleben, Einzementieren oder Einschrauben mit Abmessungen hergestellt wird, das zur Kompensation eines späteren Sinterschrumpfes im Ausmaß des Sinterschrumpfes vergrößert ist, wobei das Ersatzstück vorzugsweise durch Silberlack bereichsweise leitfähig gemacht und in einem Bad zum elektrophoretischen Auftragen von Oxidkeramik, insbesondere von Zirkoniumdioxid oder Zirkon (Zirkondioxid) unter Vorwahl einer Stromstärke eingebracht wird und nach einer Verweilzeit ein Rohling (Grünling) über den leitfähig gemachten Bereichen entsteht, der gegebenenfalls bearbeitet und sodann unter Dimensionsverlust gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzstück als dreidimensionales Computermodell in einer CAD-Anlage virtuell aufgebaut bzw. rekonstruiert wird und das Computermodell im Computer virtuell dem Sinterschrumpf entsprechend vergrößert wird, dass von dem vergrößerten virtuellen Computermodell ein Kunststoffmodell selbsttätig im bekannten Rapid Prototypingverfahren hergestellt und auf diesem der Grünling elektrophoretisch aufgebaut wird, wobei das Kunststoffmodell vorzugsweise beim Sintern verbrennt und die maßgenaue Struktur zurückbleibt.