Objective: Specific processing-induced alignments of the Li2Si2O5 crystal phase in dental lithium disilicate glass-ceramics have been shown to affect the static resistance against crack propagation. An increase in fracture resistance was achieved with high aspect ratio particulates oriented orthogonally to the crack growth plane. To gain reliable lifetime predictions of dental ceramics, a closer simulation of the clinical setting by means of cyclic fatigue experiments is necessary. Under cyclic loading, the expansion of a crack to critical size is accelerated by provoking stress-corrosion effects, chemical degradation and mechanical frictional stresses simultaneously. In crystalline ceramics friction effects are even amplified by crack deflection around the particulates, hence microstructural aspects have to be taken into account. In this study, differing orientations of the Li2Si2O5 crystal phase relative to the crack growth plane and their impact on crack propagation exposed to static and cyclic loads were assessed.

Materials and methods: In order to determine the role of particulate geometry as well as the effect of specific crystal alignment, the two materials IPS e.max Press® and IPS e.max CAD® were compared using two differing testing approaches. By injection- molding of IPS e.max Press® varying intrinsic patterns of the crystal phase were established in bar-shaped specimens and compared to a random crystal orientation of IPS e.max CAD® using a 3-point-bending configuration. Four testing groups consisting of 60 specimens each were prepared and tested under static and cyclic loading until fracture or up to 2.500.000 cycles. To assess the role of particulate geometry and the influence of differing R-ratios and frequencies, disk-shaped specimens of both materials with random crystal orientation were tested in a biaxial flexural assembly. These two testing set-ups were adapted for static and cyclic fatigue experiments to clarify the degradation of crack bridging mechanisms in consequence of the repetitive opening and closure at the crack tip.

Results: The specific orientation of the crystal phase had a significant effect on the crack growth rate during cyclic loading. Higher lifetimes were achieved with crystals having their elongated axis perpendicular to the plane of crack growth. A direct correlation to the threshold stress intensity factor was found, under which cracks in ceramics stall during a cycle. In addition, the geometry of high aspect ratio particulates increased the threshold for subcritical crack growth. Bridging degradation induced by cyclic loading and repetitive opening and closure at the crack tip was observed depending on the number of cycles, without any correlation to crystal geometry and orientation. A low R-ratio and the resulting high stress amplitude even accelerated the frictional bridging degradation effect.

Conclusions: Crystal alignment as well as aspect ratio were shown to play important roles in affecting the subcritical crack growth resistance and hence the lifetime of dental lithium disilicate ceramics. A significant increase in fracture resistance by microstructural adjustment was discovered. Due to their similarity to tooth enamel and with focus on their mechanical properties, dental lithium disilicate glass-ceramics open up new possibilities in terms of processing and application in dental daily life. In this study, standardized bar- and disk-shaped specimens were used, which do not correspond to the shape of dental restorations. Therefore, further studies are required to analyze the specific crystal pattern established in crown-shaped specimens.

Ziel: Bei dental verwendeten Lithium-Disilikat-Glaskeramiken nimmt die spezifische Ausrichtung der Li2Si2O5-Kristalle direkt Einfluss auf die statische Widerstandskraft des Materials gegen die Ausbreitung von Rissen. Eine Strukturverstärkung wird durch die gezielte Anordnung der nadelförmigen Kristalle orthogonal zur Belastungsrichtung erzielt. Um eine Aussage über die Lebensdauer des Materials treffen zu können, ist die experimentelle Simulation der klinischen Bedingungen in Ermüdungstestverfahren durch zyklische Belastungen unterhalb der kritischen Belastungsgrenze unabdingbar. Die Ausweitung eines Mikrorisses bis zu kritischer Größe wird in kristallinen Keramiken unter zyklischer Belastung durch chemische Degradierung und mechanische Friktionseffekte zusätzlich beeinflusst. Mit dem Ziel, eine Aussage über das Langzeitüberleben keramischer Restaurationen treffen zu können, wurden in der vorliegenden Studie gezielt verschiedene Ausrichtungsmuster der Kristallphase in Lithium-Disilikat- Glaskeramiken und deren Einfluss auf die Ausbreitung von Rissen unter statischen und dynamischen Belastungen untersucht.

Material und Methoden: Um sowohl den Einfluss der spezifischen Kristallgeometrie als auch verschiedene Ausrichtungsmuster der Kristallphase erfassen zu können, wurden die Materialien IPS e.max Press® und IPS e.max CAD® unter Zuhilfenahme von zwei voneinander abweichenden Versuchsanordnungen miteinander verglichen. Durch die Verarbeitung von IPS e.max Press® im Heißpressverfahren wurden innerhalb von stabförmigen Prüfkörpern klar definierte Ausrichtungsmuster der Kristallphase hergestellt und in einer 3-Punkt-Biegekonfiguration der zufälligen Kristallausrichtung in gefrästen Prüfkörpern des Materials IPS e.max CAD® gegenübergestellt. Es wurden insgesamt vier Prüfgruppen bestehend aus je 60 Prüfkörpern unter statischen und dynamischen Belastungen bis zum Bruch oder maximal 2.500.000 Zyklen getestet. Um die Bedeutung der jeweiligen Kristallgeometrie und den Einfluss variierender Spannungsverhältnisse und Frequenzen bei zyklischer Belastung gezielter zu untersuchen, wurden scheibenförmige Prüfkörper beider Materialien mit zufälliger Kristallausrichtung im Biaxialversuch ebenfalls unter statischen und dynamischen Belastungen bis zum Bruch getestet. Diese Versuchsanordnungen wurden gewählt, da sie sowohl statische als auch dynamische Belastungen zulassen, um so eine Aussage über mögliche Abschwächungsmechanismen während der durch dynamische Belastung induzierten Rissausbreitung treffen zu können.

Ergebnisse: Die Kristallausrichtung nahm unter zyklischer Belastung signifikanten Einfluss auf die Risswachstumsgeschwindigkeit. Bei einer Ausrichtung der Kristalle mit ihrer Längsachse orthogonal zur Rissausbreitungsrichtung wurden die höchsten Lebenszeiterwartungen erzielt. Der Schwellenwert, unter welchem während eines Belastungszyklus keine weitere Rissausbreitung stattfindet, konnte in direkten Zusammenhang mit der Kristallausrichtung gebracht werden. Zusätzlich hob eine langgestreckte Kristallgeometrie mit ausgeprägtem Längen-Seiten-Verhältnis das Schwellenpotential für unterkritisches Risswachstum an. Unabhängig von Geometrie und Ausrichtung der Kristalle, dafür aber in Abhängigkeit von der Zyklenzahl wurde eine Abschwächung von Rissbrückeneffekten infolge der zyklischen Belastung und der dadurch induzierten Öffnungs- und Schließbewegung an der Rissspitze beobachtet. Ein niedriges Spannungsverhältnis und die dadurch bedingte hohe Belastungsamplitude beschleunigten diesen Effekt noch.

Schlussfolgerung: Die mikrostrukturelle Beschaffenheit von Lithium-Disilikat-Keramiken ermöglicht signifikante Strukturverstärkungen, da sowohl Kristallausrichtung als auch -geometrie Einfluss auf die Ausbreitung von Rissen unter zyklischer Belastung nehmen. Die Lebensdauer der Keramik wird dadurch wesentlich mitbestimmt. Durch ihre vielseitigen Verarbeitungsmöglichkeiten und die mikrostrukturellen Parallelen zur Beschaffenheit von Zahnschmelz eröffnen Lithium-Disilikat-Keramiken vielfältige Möglichkeiten zur optimierten Verarbeitung und Anwendung im klinischen Alltag. Die in dieser Studie untersuchten standardisierten stab-, bzw. scheibenförmigen Prüfkörper entsprechen allerdings keinesfalls der Form dentaler Restaurationen, daher sind weiterführende Studien notwendig.