Anwendungsforschung Glaskeramik

Glaskeramik als Material für Zahnersatz

Haushaltglas ist spröde, Ceranfelder hingegen sind kratzfest und hart – Glas ist ein alltäglicher Werkstoff, der je nach Zusammensetzung ganz andere Eigenschaften haben kann. Für Zahnkronen wird seit Kurzem eine neue Glaskeramik als Verbundwerkstoff verwendet, deren Glasanteil erhöht wurde und sie so fester macht.

Glaskeramik-Schmelze fließt in Graphitform.
Die Schmelze wird in Graphitformen gegossen, in denen die Glaskeramik für Zahnkronen aushärtet. Foto: © Piotr Banczerowski/Fraunhofer-Gesellschaft

Viele kennen Glaskeramik als Material für Elektroherde. Das Material ist hochfest – eine Eigenschaft, die auch in einem anderen Bereich sehr erwünscht ist: dem Zahnersatz. Der Zahnschmelz zählt zu den härtesten Materialien, die aus der Biomineralisation hervorgehen. Bei Lebewesen denken wir oft an Stoffwechselprozesse, die Mineralisation sticht allenfalls bei Schneckengehäusen und Muschelschalen ins Auge. Dabei ist der Zahnschmelz ein sehr robustes Material, das hohe und kalte Temperaturen übersteht. Einige Säuren wie Oxalsäure im Rhabarber können Calcium-Ionen aus dem Schmelz herauslösen und ihn so aufrauen.

In der Mundhöhle können sich Kariesbakterien ansiedeln, die gezielt Säure abgeben, um die Barriere des Zahnschmelzes zu überwinden und in den entstehenden Höhlen für ihr Überleben günstige Mikromilieus zu schaffen. Schreitet eine solche Schädigung voran, bohrt die Zahnärztin den Zahn auf und füllt die vormalige Schadstelle mit einer Füllung aus. Aber auch durch Unfälle können Zahnteile wegbrechen. Bei größeren Schäden sind Kronen ein Mittel der Wahl, spätestens jetzt wird die Frage gestellt, welches Material gewünscht wird. Die Anforderungen sind eine gute individuelle Anpassbarkeit, lange Haltbarkeit und gute farbliche Übereinstimmung mit den vorhandenen Zähnen. Häufig werden Keramikkronen eingesetzt, die aus einem Rohling gefräst und bei 800 Grad Celsius gehärtet werden.

Ein "ausgezeichneter" Verbundwerkstoff

Nun wurde eine Glaskeramik mit dem Fraunhofer-Preis „Technik für den Menschen“ ausgezeichnet. Im Verbund von Wissenschaft (Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg) im Verbund mit Unternehmen wurde eine noch festere Keramik entwickelt, die zudem nach dem Fräsen nicht nochmals gehärtet wird. Damit ist sie schneller in der Behandlung einsetzbar.

Zeitschrift
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Glaskeramik ist ein Verbundwerkstoff aus Glasphase und kristallinen Anteilen. Glase werden als unterkühlte Schmelze bezeichnet und basieren meist auf der Basis von Siliciumoxid. Im Bereich der technischen Gläser werden aber auch Metalloxide verwendet, die gezielt zur Kristallisation gebracht werden können, sodass auch von Glaskeramik gesprochen wird. Die Materialeigenschaften werden durch das Angrenzen glasartiger Bereiche mit hochkristallinen Bereichen beeinflusst, sodass die Anteile der jeweiligen Komponenten den Werkstoff wesentlich beeinflusst. Ein Erwärmen bei über 800 Grad Celsius führt etwa bei herkömmlicher Glaskeramik für Zahnkronen zur endgültigen Aushärtung.

Statt den kristallinen Anteil zu erhöhen, wie dies nach Lehrmeinung die Festigkeit erhöht, wurde die Glasphase verändert. Metalloxide werden der flüssigen Schmelze zugemischt, so entstehen Bereiche mit hoher Ordnung und Festigkeit. Wurde der Glasanteil bislang eher in Kauf genommen, weil er für das Netzwerk im Material benötigt wurde, ist er nun ein zusätzlicher Stabilitätsfaktor. Das neue Material ist eine Zirkonoxid-verstärkte Lithiumsilicat-Glaskeramik (ZLS) mit hoher Biegebruch-Festigkeit.

Der Glasanteil wurde in der Folge erhöht, was auch die optischen Eigenschaften verbesserte. Letzteres bezieht sich neben den vielfältigen Farbtönen auch die Transluzenz, das Material lässt Licht also teilweise durch und ähnelt damit natürlichem Zahnschmelz.


Material für den Unterricht

Mehr zum Thema Verbundstoffe und Materialien für den Unterricht finden Sie im Themenheft Materialien für die Zukunft.

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Zum Weiterlesen

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg: Link

Preisverleihung "Technik für den Menschen": Link


Weiteres Material

Youtube-Channel der Fraunhofer-Gesellschaft: Link

Fakten zum Artikel
Fachwissen Schuljahr 10-12