„Chirurgenstahl“ und Titan

Seit vielen Jahrzehnten benutzt man für Otoplastiken preiswerte Nicht-Edelmetall-(NEM-) Legierungen auf Kobaltbasis, die ihre Korrosionsfestigkeit dem Zusatz von Chrom verdanken (nach dem gleichen Prinzip, wie etwa die “nichtrostenden” Stähle, daher auch die eigentlich falsche Bezeichnung „Chirurgenstahl“).

Die NEM-Legierungen haben gegenüber Acryl neben einer besseren Verträglichkeit den Vorteil, daß sie mechanisch fester sind.

Die typischen Kobaltbasis-Legierungen sind seit nahezu 60 Jahren in der Praxis als Werkstoff für Gerüste abnehmbarer Teilprothesen eingeführt. Sie sind in ihrer Grundzusammensetzung recht einheitlich. Kobalt und Chrom bilden in einem annähernden Verhältnis von 2 : 1 etwa 90% der Legierungsmasse und werden durch ca. 5% Molybdän ergänzt. Sie bestimmen die charakteristischen Eigenschaften Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Legierungszusätze wie Silizium, Kohlenstoff oder Stickstoff modifizieren die Eigenschaften in gewissem Umfang bzw. verbessern die Verarbeitbarkeit der Legierung. Kobaltbasis-Legierungen werden auch als Werkstoff für Hüftgelenksprothesen erfolgreich eingesetzt.

Das biologische Verhalten hängt vor allem davon ab, ob und in welchem Umfang elektrochemische Lösungsvorgänge im Ohr auftreten. Zur Einschätzung der Biokompatibilität von Legierungen sind daher Korrosionsversuche unter realen Bedingungen geeignet.

Für diese haben sich Messungen der anodischen Polarisation bewährt. Dabei wird der Probe in einem definierten Elektrolyten eine Spannung (Potential) aufgeprägt und der fließende Strom gemessen. Durch schrittweise Steigerung des Potentials können Strom-Spannungs-Kurven aufgenommen werden. Zur elektrochemischen Charakterisierung edelmetallfreier Dentallegierungen wurden umfangreiche Untersuchungen (an etwa 40 Produkten des Internationalen Marktes) in Kochsalz-Elektrolyten bei unterschiedlichen pH-Werten durchgeführt.

Charakteristisch für Kobaltbasis-Legierungen ist eine ausgeprägte elektrochemische Passivierung (geringe Abgabe von Ionen), die in saurem Milieu am stärksten ist. So erreicht z. B. die Aufbrennlegierung Remanium CD Durchbruchspotentiale von 800 bis 900 mV. Eine extreme Passivierung zeigen die Metalle Titan, Niob und Tantal. Die Strom-Spannungs-Kurve von Titan in neutralem Elektrolyten läßt ein Durchbruchspotential von 1,4 V erkennen; in saurem Milieu ist Titan elektrochemisch noch widerstandsfähiger.

Es kann für neuzeitliche Kobaltbasis-Legierungen übereinstimmend eine starke Passivierung mit Durchbruchspotentialen von 800 mV bestätigt werden. Sie ist in saurer NaCl-Lösung besonders ausgeprägt. Damit ist für diese Legierungsgruppe Sicherheit gegen Korrosionsangriff im Ohr gegeben. Die besonders hohe Korrosionsbeständigkeit in saurem Milieu schließt auch die Gefahr von Spaltkorrosion aus.

Eine noch wesentlich größere elektrochemische Widerstandsfähigkeit hat das Titan. Es ist damit überhaupt das Dentalmaterial mit der größten Korrosionsbeständigkeit.

Die Durchbruchspotentiale der Nickelbasis-Legierungen weisen vergleichsweise die geringste elektrochemische Widerstandsfähigkeit auf. Auch die modifizierten Legierungen mit erhöhten Cr- und Mo-Gehalten haben in chloridhaltigen Elektrolyten nur eine wenig ausgeprägte Passivierung. Bedeutsam ist vor allem die Korrosionsanfälligkeit im stark sauren Milieu, die die Gefahr von Spaltkorrosionen bedingt.

Die Biokompatibilität metallischer Dentalmaterialien wird durch die Quantität und die spezifische Toxizität der im Ohr freigesetzten Ionen bestimmt. Durch in vitro-Korrosionsversuche, wie die oben dargestellten Messungen der anodischen Polarisation, werden die elektrochemischen Lösungsvorgänge quantitativ beschrieben, und es werden damit orientierende Aussagen über die zu erwartende Bioverträglichkeit gemacht. Definitive Aussagen zur spezifischen Materialwirkung erforderten jedoch zusätzliche biologische Prüfungen.

Mit dem Ziel, Korrosionsverhalten und biologische Reaktionen vergleichend zu bewerten, wurden Legierungen und Metalle einer tierexperimentellen Prüfung am Meerschweinchen hinsichtlich ihrer totalen subchronischen Toxizität unterzogen (Implantationstest entsprechend ISO-TR 7405).

Die unter die Haut eingesetzten Implantate zeigten nach zwölfwöchiger Liegezeit eine gute Einheilung. Histologisch war als Fremdkörperreaktion eine durchgehende bindegewebige Abkapselung mit zellulärer Infiltration zu erkennen.

Die Dicke der Bindegewebskapseln und der Zellgehalt innerhalb der Kapsel sind Ausdruck für die Wechselwirkung zwischen Implantat und Gewebe. Je breiter die Kapsel und je höher die Zellzahlen, um so geringer ist die Biokompatibilität. Daher wurden bei jedem Implantat die Breiten der Bindegewebskapsel mikroskopisch vermessen (400 Messungen je Material). Die Ergebnisse zeigten bei Titan eine mittlere Kapselbreite von 35 µm. Niob und Tantal lagen mit 27 und 30 µm wenig darunter. Unter den Dentallegierungen sind die geprüften Kobaltbasis-Legierungen am günstigsten zu bewerten. Die Gewebereaktionen sind bei den Nickelbasis-Legierungen deutlich stärker.

Zum Vergleich von elektrochemischen Verhalten und Gewebsreaktionen wurden die mittleren Breiten der Bindegewebskapseln und die Durchbruchspotentiale in Form von Rangskalen gegenübergestellt. Dabei zeigte sich eine eindeutige Korrelation zwischen den elektrochemischen und biologischen Reaktionen. Die Metalle Nb, Ta und Ti mit den höchsten Durchbruchspotentialen rufen die geringsten Gewebsreaktionen hervor. Die Nickelbasis-Legierungen mit der geringsten elektrochemischen Passivierung zeigen dagegen die stärkste bindegewebige Abkapslung.

Titan besitzt nicht nur für die Prothetik und in der Implantologie die idealen Voraussetzungen, sondern eignet sich auch hervorragend für Kronen, Brücken, Inlays, Suprakonstruktionen und Otoplastiken. Leider wird dieser Werkstoff noch nicht im vollen Umfang seiner Leistungsfähigkeit genutzt.

Die besonderen Eigenschaften von Titan:

  • biokompatibel
  • korrosionsbeständig
  • allergieunbedenklich
  • geschmacksneutral, (für dentalen Einsatz)
  • röntgendurchlässig
  • besitzt eine geringe Wärmeleitfähigkeit, d. h. ohne Temperaturschock kann der Patient problemlos die Otoplastik einsetzen
  • ein geringes spezifisches Gewicht; Titan ist ein Leichtmetall und wiegt zweimal weniger als Chrom-Molybdän
  • das einzige Reinmetall, mit dem in der Dentaltechnik Kronen, Brücken, Inlays, Suprakonstruktionen, Modellgüsse und Implantate hergestellt werden und mit dem Otoplastiken angefertigt werden können.

Der Patient kann mit einem einzigen Metall versorgt werden.