Glas-Ionomer-Zement

5.4.1 Glas-Ionomer-Zemente

Glas-Ionomer-Zemente (GICs) werden in der Zahnmedizin häufig als Befestigungszemente, Basiszemente und als Füllungsmaterial für wenig belastbare Zahnrestaurationen verwendet. In letzter Zeit wurden GICs aufgrund ihrer Biokompatibilität und ihrer Fähigkeit, sich direkt mit dem Knochen zu verbinden, auch für Anwendungen in anderen medizinischen Bereichen vorgeschlagen. Zu diesen Anwendungen gehören künstliche Gehörknöchelchen, Knochenersatzplatten für die kraniofaziale Rekonstruktion und die orthopädische Chirurgie als Knochenzement (Gu et al., 2005).

GICs haben die inhärente Fähigkeit, an Zahnschmelz und Dentin zu haften und können in Zahnkavitäten mit minimaler Vorbereitung und ohne die Notwendigkeit eines Haftvermittlers eingesetzt werden. Wie bereits erwähnt, sind sie biokompatibel und werden durch Feuchtigkeit nicht so stark beeinträchtigt wie Materialien auf Harzbasis. Außerdem liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient von GIC nahe an dem der Zahnsubstanz. Obwohl sie zahnfarben sind, weisen sie im Vergleich zu den meisten modernen Kompositmaterialien eine geringere ästhetische Qualität auf, aber ihr größter Nachteil sind ihre mechanischen Eigenschaften, ihre Festigkeit und ihre Zähigkeit. Konventionelle GICs werden durch eine Säure-Base-Reaktion zwischen einer Polyacrylsäure und einem Aluminosilikatglaspulver hergestellt. Die Chemie und die Formulierung des basischen Glases und der Polyacrylsäure beeinflussen sowohl die Aushärtungsreaktion als auch die Eigenschaften der GICs. So führt beispielsweise eine Erhöhung des Molekulargewichts der Polyacrylsäure zu verbesserten mechanischen Eigenschaften, verschlechtert aber die Handhabungseigenschaften (Wilson et al., 1989). Außerdem werden bei der Verwendung von Glaspartikeln, die durch Schmelzabschreckung hergestellt wurden, höhere Druck- und biaxiale Biegefestigkeiten sowie kürzere Abbinde- und Verarbeitungszeiten erzielt als bei Zementen, die Glaspartikel enthalten, die auf dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden, selbst wenn die Glaspartikel die gleiche Zusammensetzung haben und sich nur in der Verarbeitungsmethode unterscheiden (Wren et al., 2009). Bessere mechanische Eigenschaften werden durch die Zugabe von hydrophilen Monomeren und Polymeren wie HEMA zu Polyacrylsäure und harzmodifizierten Glasionomeren erreicht, die im Handel erhältlich sind. Einige sind lichtgehärtet, aber dies erfolgt zusätzlich zur grundlegenden Säure-Base-Reaktion durch die Zugabe von Photoinitiatoren, und in der Regel ist ein zusätzlicher Schritt der Bindung von Dentin und Schmelz erforderlich (Coutinho et al., 2009). GICs enthalten Fluorid. Fluorid verringert die Schmelztemperatur des Glases, senkt den Brechungsindex des Glases, was zu optisch transluzenten Zementen führt, und hat vor allem eine karieshemmende Wirkung. Fluorid ist in Aluminosilikatglas enthalten (Griffin und Hill, 2000). Nach Dhondt et al. (2001) und Xu und Burgess (2003) wird während der Aushärtung ein wichtiges Fluoridreservoir in der Zementmatrix aufgebaut, und GICs weisen eine langfristige Fluoridfreisetzung auf, obwohl der Zement ausgehärtet ist, und können teilweise durch Fluoridprodukte wieder aufgeladen werden.

Neben der chemischen Zusammensetzung des Glases und der Polyacrylsäure steuert auch die Kontaktfläche zwischen diesen Komponenten die Aushärtung und die mechanischen Eigenschaften von GIC. Durch den Einsatz der Nanotechnologie wurden mehrere Modifikationen des Glasionomerpulvers vorgeschlagen, hauptsächlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Zements. Der Ersatz von 10 % oder 20 % der mikrogranularen Glaspartikel des Pulvers durch den gleichen Prozentsatz an nanogranularem Glas, obwohl die nanogranularen Partikel durch weiteres Mahlen der makrogranularen Partikel eingearbeitet werden und die gleiche Zusammensetzung haben, wirkt sich auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Glasionomeren aus. Da Glasnanopartikel eine höhere Reaktivität aufweisen, verkürzt sich die Abbindezeit des Zements und die Druckfestigkeit und der Elastizitätsmodul steigen. Wenn Glasnanopartikel Fluorid enthalten, erhöhen sich die Abbindezeit, die Druckfestigkeit und der Elastizitätsmodul noch mehr, aber die Fluoridfreisetzung nimmt ab. Außerdem zeigen diese Zemente im Vergleich zu mikrogranularen Glaspartikelzementen eine weitere Abnahme ihrer Druckfestigkeit durch Thermowechselbelastung (De Caluwé et al., 2014).

Die Forscher testeten auch die Wirkung der Zugabe anderer Nanopartikel. Die Zugabe von 3 % und 5 % (w/w) TiO2-Nanopartikeln verbesserte die Bruchzähigkeit, die Biegefestigkeit und die Druckfestigkeit, aber bei Glasionomeren mit 7 % TiO2 wurde eine Abnahme der mechanischen Eigenschaften festgestellt. Die Mikrohärte der Oberfläche wurde durch die Zugabe von 5 % und 7 % (w/w) TiO2-Nanopartikeln beeinträchtigt. Abbindezeit, Haftfestigkeit und Fluoridfreisetzung wurden nicht beeinträchtigt. Auch die antibakterielle Aktivität war besser. Die Autoren vermuten, dass die Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Größe die leeren Räume zwischen den großen Partikeln füllen und als zusätzliche Bindungsstellen für das Polyacrylpolymer fungieren, wodurch das Glasionomermaterial verstärkt wird. Wenn der Prozentsatz der Nanopartikel zu hoch ist, kann es sein, dass die Polyacrylsäure nicht ausreicht, um sich mit der erhöhten Menge an TiO2-Nanopartikeln effektiv zu verbinden und somit die Grenzflächenbindung zwischen den Partikeln und der Ionomermatrix zu schwächen (Elsaka et al., 2011). Nanokeramikpartikel mit einem Anteil von 5 % w/w können in handelsübliches Glasionomerpulver eingearbeitet werden. Mit Nanohydroxyapatit und Fluorapatit versetzte Zemente wiesen nach 7- und 30-tägiger Lagerung in destilliertem Wasser eine höhere Druckfestigkeit, diametrale Zugfestigkeit, biaxiale Biegefestigkeit und eine höhere Haftfestigkeit an Dentin auf. Die Resistenz gegen Demineralisierung wird als besser bezeichnet, aber die Abbindezeit wird übermäßig verlängert (Moshaverinia et al., 2008). Auch die Haftfestigkeit wird durch den Zusatz von 10 % Nanohydroxylapatit verbessert (Lee et al., 2010). Die Zugabe von nanokristallinem, kalziumarmem Hydroxylapatit wurde ebenfalls untersucht. Durch die Erhöhung des Anteils an Nanopartikeln (5, 10 und 15 Gew.-%) wurde ein Anstieg der Druckfestigkeit, des Anteils an Ionenfreisetzung, des Gewichtsverlusts und ein Rückgang der Mikrohärte der Oberfläche festgestellt. Der resultierende Zement zeigt verbesserte Eigenschaften für orthopädische und kieferorthopädische Anwendungen (Goenka et al., 2012). Bioglas wird auch in GIC eingearbeitet, aber bisher wurden Mikropartikel aus Bioglas verwendet.

Die Nanotechnologie zielt auf die Herstellung und Verwendung synthetischer nanomerer und oberflächenmodifizierter Nanopartikel aus Zirkoniumdioxid und Siliziumdioxid. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Nanopartikel, die in Kompositharzen verwendet werden, in wässriger Lösung inkompatibel sind und zu visuell undurchsichtigen Formulierungen führen. Eine andere Behandlung der Nanopartikel mit einer Mischung von Silanen, die ein optimales hydrophiles/hydrophobes Gleichgewicht aufrechterhalten, ist notwendig (Falsafi et al., 2014). Der teilweise Ersatz von Fluoraluminiumsilikat-Glaspartikeln durch oberflächenmodifizierte Glasfüllstoffe verbesserte die Politur (Bala et al., 2012), die Abriebfestigkeit, die Fluoridfreisetzung und das Wiederaufladeverhalten von Harz-GICs (Mitra et al., 2011). Andererseits bestätigen andere Forscher, dass die kumulative Fluoridfreisetzung von nanogefüllten harzmodifizierten GICs im Vergleich zu den konventionellen und harzmodifizierten GICs, die einander sehr ähnlich waren, geringer war und das Nanoionomer eine geringere, aber gleichmäßige Fluoridfreisetzung aufweist (Upadhyay et al., 2013). Nanoharz-GIC interagieren wie herkömmliche Glaszemente mit Dentin und Schmelz auf sehr oberflächliche Weise, ohne Anzeichen von Demineralisation und/oder Hybridisierung. Die mikromechanische Verzahnung ist begrenzt und eine chemische Interaktion spielt die Hauptrolle (Coutinho et al., 2009). Hydroxylapatit des Zahns interagiert mit der Methacrylat-Polycarbonsäure des Zements und bildet eine ionische Bindung (Falsafi et al., 2014). Leider ist die Bindungsstärke des Nanoionomers mit Dentin und Schmelz zwar effektiv, aber weniger effektiv im Vergleich zum kunststoffmodifizierten GIC (Coutinho et al., 2009). Auch die mechanischen Eigenschaften von Nanoionomer-Materialien verschlechtern sich mit der Zeit, wenn sie in Lösungen eingetaucht werden (Moreau und Xu, 2010), und Nanofüllstoffe verbesserten die Widerstandsfähigkeit von Nanoionomeren nicht (de Paula et al., 2014).

Obwohl GICs bis zu einem gewissen Grad antimikrobielle Eigenschaften besitzen (Herrera et al., 1999; Magalhães et al., 2012), werden zur Verbesserung der antibakteriellen Wirkung auch antibakterielle Nanopartikel eingebracht. Antimikrobielle Nanopartikel, die aus Chlorhexidinhexametaphosphat in verschiedenen Prozentsätzen bestehen, wurden in ein handelsübliches GIC eingearbeitet. Dank der Nanopartikel wurde das Chlorhexidin allmählich freigesetzt und hielt mindestens 33 Tage lang an. Dieser Zeitraum ist länger als bei anderen Formen von Chlorhexidin, wie Chlorhexidindiacetat, die in der Vergangenheit verwendet wurden. Die Fluoridfreisetzung wurde nicht signifikant beeinflusst, aber die diametrale Zugfestigkeit nahm ab, allerdings nicht in statistisch signifikanter Weise. Daher ist die Substitution von Glaspulver mit bis zu 20 % Chlorhexidin-Nanopartikeln für den klinischen Einsatz geeignet und vorteilhaft (Hook et al., 2014). Die Zugabe von QA-PEI-Nanopartikeln in einer niedrigen Konzentration (1 % w/w) zeigt eine starke antibakterielle Wirkung, die mindestens einen Monat lang anhält. Die Tatsache, dass es beim Agardiffusionstest keine Hemmzone gibt, obwohl der direkte Kontakttest eine bakterielle Hemmung zeigt, deutet darauf hin, dass die Nanopartikel in der Zementmatrix stabilisiert werden und kein Auslaugen der Nanopartikel stattfindet (Beyth et al., 2012). Vitrebond zeigte eine erhöhte bakterizide Aktivität durch den Einbau von Silbernanopartikeln (Magalhães et al., 2012).