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Zahntechnik 28.02.2011

Zirkoniumdioxid

ZT Iris Burgard
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Zirkoniumdioxid

Zirkon ist vor etwa 4,4 Milliarden Jahren entstanden und somit das älteste bekannte Mineral der Erde. Gleichzeitig ist es eines der Minerale, die am häufigsten in der Erdkruste vorkommen. In der heutigen Technik findet es aufgrund seiner Härte immer mehr Verwendung. Seit 1994 wird es auch in der Zahntechnik vielfältig verwendet.

Entstehung und Geschichte von Zirkon

Der Name „Zirkon“ stammt wahrscheinlich aus dem persischen „zargun“ (goldfarben) oder dem arabischen „zarqun“ (Zinnober). Man findet es auch in „Jargon“ wieder, womit helle Zirkone bezeichnet werden, oder in „Jacinth“, das für den Hyazinth steht, der gelben bis braunen Zirkon bezeichnet. Zirkon ist in der Natur in magmatisches Gestein wie Granit oder alkalireiches Gestein wie z.B. Pegmatit eingebettet. Dabei wird Zirkon in Form von um- oder neukristallisierten Körpern gebildet und findet sich als Einschlüsse im Muttergestein. Der Zirkon bildet Kristalle von 100-300µ, kommt aber auch in einer Größe von mehreren Zentimetern vor, die dann wegen der Ähnlichkeit der Eigenschaften mit Diamanten beliebte Schmucksteine sind, weil ihr Preis ungleich niedriger ist. Zirkonglas wird übrigens auch zur Ummantelung von radioaktiven Abfällen für die Endlagerung hergenommen, da es ca. 2.000 Jahre der radioaktiven Strahlung standhalten soll.

Zusammensetzung

Zirkonoxid – ZrO2 kommt in der Regel nicht in reiner Form vor, sondern enthält mehr oder weniger Verunreinigungen. Das am meisten enthaltene Element ist Silizium: ca. ein Drittel Siliziumoxid (SiO4). Es kann ebenfalls mit unterschiedlichen Gewichtsanteilen Hafniumoxid (HfO2), Thoriumoxid (ThO2) oder Uranoxid (U3O8) enthalten. Die Anteile der fremden Elemente/ Oxide bestimmen auch die Farbe des Zirkon-Kristalles.


Abb. 1: Struktur des Zirkon.

Die Zirkonstruktur besteht aus abwechselnden Ketten SiO4 sowie ZrO2, die parallel zueinander angeordnet sind (Abb.1). Auch wenn in der Zahntechnik von Zirkoniumdioxid gesprochen wird, wird hier kein reines Zirkonium verwendet. Reines Zirkoniumdioxid hat bei Raumtemperatur eine monokline Struktur (das Kristall hat im Koordinatensystem zwei rechte Winkel und einen schiefen), die sich mit zunehmender Temperatur bei 1.173°C in eine tetragonale Struktur umwandelt, aber bei Abkühlung reversibel ist. Dies führt zu hohen Spannungen und würde zur Zerstörung des Sinterprozesses führen. Daher wird im Dentalbereich nur legiertes Zirkoniumdioxid verwendet. Hier hat sich die Zugabe von Yttriumoxid (Y2O3) bewährt, das zu ~ 5% Gewichtsanteil beigefügt wird. Diese Legierung wird auch Y-TZP ZrO2 (Y-TZP: with Yttrium patially-stabilized Tetragonal Zirconia Polycristals) genannt. Im natürlichen Rohstoff Zirkonsand sind außerdem bis zu 5% Hafniumoxid (HfO2) enthalten, das eine natürliche Verunreinigung ist. Um die Biegefestigkeit zu erhöhen, setzt man noch bis zu einem viertel Prozent Quarz (Al2O3) hinzu.

Verwendung

In der Zahntechnik hat sich inzwischen bewährt, Gerüste für Kronen oder Brücken aus „Weißlingen“ zu fräsen. Weißlinge sind vorgesinterte Blöcke, die genügend Stabilität aufweisen, um die Gerüste aus dem Block fräsen zu können, ohne dabei einen zu hohen Verbrauch an Fräsern zu verursachen. Sie werden aus „Grünlingen“ vorgesintert, die aus reinem Pulver gepresst werden. Durch die natürliche Schrumpfung des Weißlings während des Sinterprozesses müssen die Gerüste ca. 20% größer als die endgültige Krone gefräst werden. Mit der CAD/CAM-Technik bzw. mit den Kopierfrässystemen ist dies kein Problem, da die Software des Computers bei der Berechnung der Fräsbahnen diese Schrumpfung gleich berücksichtigt. So kann man die Gerüste zwar nicht vor der Sinterung auf den Stümpfen aufpassen, aber inzwischen hat sich diese Technik dennoch bewährt. Da reines Zirkonoxid nach dem Sintern hochweiß ist, muss man es für Zahnersatz entweder mit Opaquer überziehen oder das gefräste Gerüst aus dem Weißling schon vor dem Sintern einfärben. Nach dem Sintern müssen nur noch sehr geringe Korrekturen beim Aufpassen vorgenommen werden, und dann kann man die Gerüste schon verblenden (Abb. 2 und 3).


Abb. 2 Zirkongerüste nach dem Sintern. Abb. 3 Zirkonkronen, frisch eingesetzt.

Zirkoniumdioxid wird sich aufgrund seiner optischen und mechanischen Eigenschaften auch weiterhin steigender Beliebtheit in der Zahntechnik erfreuen. Es ist hochfest, zahnfarben, biokompatibel und mit speziellen Keramikmassen verblendbar. Da die Goldpreise nach wie vor weiter in die Höhe steigen, sind Zirkonkeramikkronen für die Patienten kaum noch teurer und somit immer attraktiver.

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