Dentale Glaskeramiken im System SiO2 - Li2O - ZrO2 mit verbesserter Lebensdauer: Mechanismen der Kristallisation und Widerstand gegenüber langsamen Risswachstum

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Friedlinde Götz-Neunhoeffer; Professor Dr. Dominique de Ligny; Professor Dr.-Ing. Ulrich Lohbauer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459555007

Glaskeramiken auf Lithiumsilikatbasis sind derzeit die wirtschaftlich erfolgreichsten, dental-restaurativen Ersatzmaterialien. Gegenüber herkömmlichen, Feldspat-basierten Dentalkeramiken besitzen Lithiumdisilikat-Kristalle (Li2Si2O5) den großen Vorteil einer Wachstumsrichtung entlang der kristallographischen c-Achse. Elongierte Kristalle ermöglichen dabei eine anisotrope Mikrostruktur, biomimetisch angelehnt an den natürlichen, prismatischen Zahnschmelzaufbau. Eine Texturierung teilkristalliner Glaskeramiken, angelehnt an die Strategien biologischer Systeme, besitzt ein hohes Potential in Hinblick auf die Maximierung mechanischer Eigenschaften. Andererseits enthalten die derzeit verfügbaren Lithiumsilikatsysteme jedoch auch eine amorphe Glasphase, die für korrosives, langsames Risswachstum anfällig ist. Dieses Phänomen wird durch die Ausbildung von thermischen Eigenspannungen zwischen der amorphen und der kristallinen Phase überlagert. Glaskeramiken im System SiO2 – Li2O – ZrO2 sind davon besonders stark betroffen. Über den ZrO2-Gehalt wird die Keimbildungs- und Kristallisationskinetik beeinflusst, wobei sich ZrO2 mit fortschreitender Kristallisation im Restglas anreichert. Weiterhin werden die heterogene, epitaktische Keimbildung von Li2SiO3 sowie die nachfolgende Kristallisation zu Li2Si2O5 im glaskeramischen Prozess beeinflusst. Die zugrundeliegenden Mechanismen, deren Abhängigkeit vom Li2O/SiO2-Verhältnis und dem ZrO2-Gehalt sowie deren letztendliche Auswirkungen auf die Struktur des Glasnetzwerks sind bisher noch kaum verstanden. Im Rahmen dieses interdisziplinären Projektes sollen die grundlegenden Auswirkungen der Zusammensetzung im Glassystem SiO2 – Li2O – ZrO2 umfassend untersucht werden. Die Keimbildungs- und Kristallisationskinetik der kristallinen Phasen steht dabei ebenso im Zentrum des Forschungsinteresses wie die Netzwerkstruktur und Eigenschaften der Restglasphase. Die lokalen und globalen mechanischen Eigenschaften der Restglasphase werden einerseits mit Hinblick auf langsames Ermüdungsrisswachstum und andererseits im Kontext der thermischen Eigenspannungen zu den kristallinen Phasen systematisch analysiert. Ziel ist es, über das mikrostrukturelle Design die Kompatibilität beider Phasen zu maximieren und damit dentale, ZrO2-haltige Lithiumsilikat-Glaskeramiken mit verlängerter klinischer Lebensdauer zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen