Abb. 1: Natürliches Calciumsulfat-Dihydrat (Gips).

Im deutschen Sprachraum werden alle Gipsformen als "Gips" bezeichnet. Im englischen oder französischen Sprachgebrauch hingegen, sind durchaus zwei verschiedene Worte für "unseren" Gips gebräuchlich (engl.: gypsum-plaster, franz.: gypse-plâtre).

Gips wird seit mehreren Jahrtausenden als Bau- und Werkstoff verwendet. Diese Verwendung ist auf die leichte "Entwässerbarkeit" des Gipssteins (Abb. 1), der Dehydration des Calciumsulfat-Dihydrats, zurückzuführen. Dabei wird das an das Calciumsulfat gebundene Kristallwasser teilweise oder vollständig nach folgendem Schema ausgetrieben:

(1) CaSO4 x 2 H2O + Energie → CaSO4 x ½ H2O + 1 ½ H2O CaSO4 x 2 H2O + Energie → CaSO4 + 2 H2O Gipsstein → gebrannter Gips (2) CaSO4 x ½ H2O + 1 ½ H2O → CaSO4 x 2 H2O + Energie CaSO4 + 2 H2O → CaSO4 x 2 H2O + Energie gebrannter Gips → Gipsstein

Durch den wiederholbaren Prozess der Bindung von Wasser (H₂O) bekommt der zuvor gebrannte Gips, d. h. der abbindefähige Gips, eine mehr oder weniger hohe Festigkeit unter Bildung eines kristallinen Gefüges. Sowohl vor als auch nach dem Umkristallisieren ist Gips eine ungiftige Substanz.

Vorkommen und Rohstoffe

Naturgips

Gips findet man meist in großen Ablagerungen in vielen Ländern der Erde. Die Abbildung 2 zeigt ein Abbaugebiet in Kentucky/USA. Diese Ablagerungen sind durch Auskristallisation aus übersättigten wässrigen Lösungen seichter Meeresteile in Millionen von Jahren entstanden. Bei diesem Prozess setzten sich zuerst die Carbonate, dann die Sulfate und zuletzt die Chloride in der Folge ihrer Löslichkeit ab.

Abb. 2: Abbaugebiet in Kentucky/USA. In vielen Ländern der Erde wird Gips in den oberen Erdschichten gefunden und im Tagebau abgebaut.

Gips ist in den geologischen Formationen des Perms, z. B. des Zechsteins, und der Trias´, im Muschelkalk und im Keuper, sowie des Tertiärs anzutreffen. Das wohl älteste Vorkommen von Gips ist der rund 240 Millionen Jahre alte Fund aus dem Zechstein. In Deutschland findet man diesen alten Zechstein-Gips z. B. in Norddeutschland. Etwas "jüngere" Gipse aus dem Muschelkalk und die Keuper-Gipse (ca. 215 bzw. 205 Millionen Jahre alt) findet man vermehrt im süddeutschen Raum. Tertiäre Gipsvorkommen erstrecken sich vor allem rund um das Mittelmeer.

Das Dihydrat in Abbildung 3 zeigt einen relativ durchsichtigen Gipsstein. Diese spätige, blättrige Form wird in der Mineralogie auch Marienglas oder Selenit genannt. Durchscheinende kompakte Gipse nennt man Alabaster - vom oberägyptischen Fundort Alabastron abgeleitet. Die eigentliche Farbe des Gipssteins ist weiß, wird aber durch die verschiedensten Verunreinigungen stark beeinflusst.

Abb. 3: Dihydrat in relativ reiner Form.

Gipse für den zahntechnischen Einsatzbereich entstehen oft aus Nebenprodukten der chemischen Industrie.

• Beispielsweise ergibt die Energieproduktion aus Braunkohle eine große Menge REA-Gips. Er entsteht bei der Entschwefelung der Rauchgase von Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen befeuert werden. Der REA-Gips wird bei der nassen Rauchgasentschwefelung nach der Oxidation mit der Luft im Kalkwaschverfahren durch Abtrennung der Gipskristalle, Waschen und Filtrieren gezielt gewonnen, so dass ein direkt wiederverwertbarer Rohstoff mit sehr hoher Reinheit entsteht.

• Auch bei einer Reihe von chemischen Prozessen im Bereich der Lebensmittelindustrie, z. B. bei der Weinsäure- und Zitronensäure-Herstellung bzw. der Herstellung von Farbbeizen, Bleichmitteln und Fleckenmitteln oder bei der Aufbereitung von Dünnsäuren aus der Titanoxid-Herstellung fallen sehr große Mengen Calciumsulfat-Dihydrat in reinster Form an.

Doch welcher Gips ist als Rohstoff für die sehr hochwertigen Dentalgipse der Beste? Vergleicht man Endprodukte aus verschiedenen Rohstoffen gleicher Qualität, also einen Naturgips Typ 4 mit einem Chemiegips Typ 4, erhält man immer gleiche Ergebnisse (Abb. 4). Solche Untersuchungen werden regelmäßig von den führenden Gipsherstellern - federführend sei hier die Fa. Dentona, Dortmund, genannt - durchgeführt. Als besonders großen Nachteil des Naturgipses ist der Raubbau des Tagebaus wie auf Abbildung 2 anzusehen. Außerdem ist die Verschmutzung des Naturgipses dafür verantwortlich, dass ein wesentlich höherer Arbeitsaufwand geleistet werden muss, um die gleiche saubere Gipsqualität wie bei synthetischen Gipsen als Ausgangsrohstoff zu erhalten.

Abb. 4: Beim Vergleich der Endprodukte gleicher Qualität, aber unterschiedlicher Rohstoffe, z. B. REA-Gips mit Naturgips, ergibt der Bohrtest gleiche Ergebnisse.

Im Gegensatz zu der alten Meinung, abbindefähiger Gips hätte einen bestimmten definierten Kristallwasserfaktor von x 0,5, weiß man heute, dass der Kristallwassergehalt im abbindefähigen Gips zwischen 0,48 bis 0,67 liegt. Deshalb bezeichnet man das Gipspulver nicht mehr als Calciumsulfat-Halbhydrat sondern als Calciumsulfat-Subhydrat, d. h. der Kristallwassergehalt ist kleiner als x 1.

Wenn Gipsstein als Ausgangsprodukt zur Herstellung von Calciumsulfat-Subhydrat verwendet wird, so geschieht dies im Regelfall im Kalzinator-Brennverfahren (Abb. 5).

Abb. 5: Bei der Herstellung von Calciumsulfat-Subhydrat mit dem Kalzinatorbrennverfahren entsteht ß-Subhydrat - ein Gips mit minderwertiger Qualität. Klicken Sie für eine größere Ansicht auf die Abbildung.

Bei diesem Produktionsverfahren wird das trockene, feingemahlene und gereinigte Rohprodukt (trockenes Brennen) in einen kontinuierlichen Kocher gebracht, den so genannten Kalzinator. Der Kocher wird auf ca. 160 - 200 °C erhitzt und das Dihydrat unter atmosphärischen Bedingungen entwässert. Da diese hohen Temperaturen nicht als schonendes Verfahren anzusehen sind, erhält man durch dieses "brutale" Brennverfahren nur ein ß-Subhydrat (Abb. 6).

Abb. 6: Bei dieser Gipsqualität (hier im Durchlicht) wird verhältnismäßig viel Wasser benötigt, um einen fließfähigen Brei zu erhalten: Alabaster, Typ 1.

Ein sehr viel schonenderes Verfahren zur Entwässerung ist das Autoklaven-Verfahren (Abb. 7). Auch hier wird das Rohmaterial gemahlen, gereinigt, dann aber mit Wasser angereichert und als fließfähiger Brei (Slurry) in einen großen Drucktopf (Autoklav) gepumpt. Jetzt wird im Unterschied zum Kalzinator nicht von unten geheizt, sondern es wird Wasserdampf in den Autoklaven gebracht, um den inneren Topfdruck auf ca. 2 bis 4 bar zu erhöhen. Das Umkristallisieren erfolgt bei ca. 120° - 130° C. Das noch heiße α-Subhydrat wird dann als Suspension kontinuierlich aus dem Autoklaven abgezogen und in einer Zentrifuge von der wässrigen Lösung getrennt. Jetzt wird die Masse im Stromtrockner getrocknet und es entsteht das für die Zahntechnik wohl am wichtigsten benötigte Modellmaterial: das α-Subhydrat (Abb. 8). Im Vergleich zu Abbildung 6 erkennt man leicht den "feinen Unterschied".

Abb. 7: Bei der Produktion von Gips mit dem Autoklaven-Verfahren entsteht das α-Subhydrat. Klicken Sie für eine größere Ansicht auf die Abbildung.	Abb. 8: Den Qualitätsunterschied erkennt man im Vergleich zu Abb. 6. α-Subhydrat, Superhartgips Typ 4.

Die DIN EN ISO 6873

Um die unterschiedlichen Gipse zu erläutern und die verschiedenen Einsatzbereiche festzulegen, gibt es auch für die Dentalgipse eine DIN-Norm: DIN EN ISO 6873. Sie unterscheidet fünf Dentalgips-Typen:

• Typ 1: Abdruckgips
• Typ 2: Modellgips
• Typ 3: Modell - Hartgips
• Typ 4: Superhartgips für Formen/geringe Expansion
• Typ 5: Superhartgips für Formen/hohe Expansion

Die ebenfalls in der Zahntechnik üblichen gering expandierenden Sockel- und Artikulationsgipse sind in der Norm nicht bekannt.

Die Anforderungen der Europa-Norm werden in der Standardkonsistenz des Gipsbreis, der Verarbeitungszeit, der Erstarrungszeit, der Abbindexpansion und der Druckfestigkeit definiert. Für die Herstellung einer Implantat-Konstruktion sind vor allem die Expansion, die Biegezug- und Druckfestigkeit sowie die Härte wichtig:

• Besonders geringe Expansion ist ein wichtiges Maß für die Dimensionsgenauigkeit des Gipsmodells. Ideal wäre es, einen Gips zu benutzen, der genauso viel expandiert, wie die Abformmasse kontrahiert. Ein wohl eher unmögliches Unterfangen, weil zu viele Anwendungskomponenten die Eigenschaften sowohl des Gipses als auch der Abformmassen beeinflussen.
• Für die Elastizität des Dentalgipses ist die Biegezugfestigkeit verantwortlich. Schon Unterschiede von 2,5 MPa entscheiden darüber, ob beim Abheben der Abformung vom Modell alle Partien erhalten bleiben oder ob wichtige Details abbrechen. Hier sind die kunststoffstabilisierten Dentalgipse, wie z. B. der esthetic-rock^® oder der esthetic-base^® von der Firma Dentona besonders im Vorteil.
• Damit der Zahntechniker überhaupt auf dem Meistermodell arbeiten kann ohne das die Modelloberfläche abradiert oder beschädigt wird, sind die Druckfestigkeit und die Härte sehr wichtig. Heute gibt es allerdings Gips mit einer Endhärte von 300 MPa und mehr auf dem Dentalmarkt, womit das oben genannte Problem aus der Welt geschafft sein sollte.

Typ 1 - Abdruckgips: Schnelles Abbinden Wohlschmeckend Leicht zu brechen mit klaren Kanten Max. Expansion nach 2h: 0% bis 0,15% Druckfestigkeit mindestens 4 MPa, maximal 8 MPa Typ 2 - Modellgips (Alabaster): Max. Expansion nach 2h: 0,30% Druckfestigkeit mindestens 9 MPa (15 MPa) (Biegezugfestigkeit mindestens 4 MPa) (Härte mindestens 35 MPa) Typ 3 - Modell-Hartgips (Hartgips): Max. Expansion nach 2h: 0,2% Druckfestigkeit mindestens 20 MPa (25 MPa) (Biegezugfestigkeit mindestens 6 MPa) (Härte mindestens 70 MPa) Typ 4 - Superhartgips für Formen/geringe Expansion (Superhartgips): Max. Expansion nach 2h: 0,15% Druckfestigkeit mindestens 35 MPa (Biegezugfestigkeit mindestens 7 MPa) (Härte mindestens 120 MPa) Typ 5 - Superhartgips für Formen/hohe Expansion (Superhartgips mit hoher Expansion): Max. Expansion nach 2h: 0,3% Druckfestigkeit mindestens 35 MPa (Härte mindestens 120 MPa)

Mindestanforderung der Dentalindustrie in Klammern

Die Gipsexpansion

In den Testlaboratorien der Dentalgips-Hersteller wird zur Bestimmung der Expansion ein DIN-Expansionsgerät benutzt. Es handelt sich um eine im rechten Winkel angeordnete Wanne mit einem Metallwürfel (Stopper), mit dem eine Messuhr in Kontakt steht. Wenn der Gips in einer definierten Länge in die Wanne gefüllt wird (100 mm), bewegt sich der Stopper durch die Gipsexpansion nach vorne und die Streckenveränderung wird von der Messuhr gemessen (Abb. 9). Nach zwei Stunden wird der Wert abgelesen und auf Qualitätskontrollzetteln dokumentiert.

Abb. 9: Der expandierende Gips bewegt den Stopper nach vorne. Der Expansionswert wird auf der Messuhr angezeigt.

Die Dichte (spezifisches Gewicht) von Calciumsulfat-Dihydrat beträgt 2.31g/cm³, von ß-Calciumsulfat-Subhydrat 2,619 g/cm³ und von α-Calciumsulfat-Subhydrat 2,757 g/cm³. Das Subhydrat ist schwerer als das Dihydrat, das durch Wasserzugabe aus dem Subhydrat entsteht. Ein weiterer Grund für die Expansion ist die unterschiedliche Löslichkeit im Wasser. In einem Liter Wasser lösen sich 8,8 g ß-Calciumsulfat-Subhydrat, 6,7 g α-Calciumsulfat-Subhydrat, aber nur 2,05 g Calciumsulfat-Dihydrat. Physikalisch kommt dies durch die Expansion der Gipskristalle zu Stande. Dabei erfolgt die Expansion gleichmäßig in alle Richtungen.

Auf die richtige Verarbeitung kommt es an!

Gerade bei einer implantologischen Suprastruktur ist es besonders wichtig, dass die Arbeitsunterlage - das zahntechnische Meistermodell - so genau wie nur eben möglich die Ist-Situation des Patientenkiefers wiedergibt. Um dieses Ziel zu erreichen, sollte der Arbeitsablauf "Modellherstellung" in einem standardisierten Verfahren ablaufen. Hierzu gehören vor allem saubere Mischbehältnisse und Spatel, eine Waage, ein Vakuummischgerät und das Grundwissen der technischen Gipsverarbeitung.

Die 10 Schritte zur optimalen Gipsverarbeitung: Destilliertes Wasser in der richtigen Menge - hier sind die Angaben der Gipshersteller unbedingt zu befolgen - wird vorgelegt. Hierbei ist zu beachten, dass der Anrührbecher von innen etwas feucht ist, damit sich kein Wasser in eventuelle Rauigkeiten der Becherinnenfläche absetzt. Bei ganz neuen Anrührbechern ist dies zu vernachlässigen, aber bereits nach kurzem Gebrauch sind auch neue Becher nicht mehr neu. Die Waage tarieren und die benötigte Menge Gipspulver in das Wasser einstreuen. Nie den Gips in einem Rutsch in das Wasser geben, da sonst Lufteinschlüsse (luftreicher Gipsbrei) die Folge sind. Jetzt ca. 20 Sekunden "sumpfen" lassen. Man sieht, wie sich das Gipspulver langsam von selbst mit dem Wasser "verbindet" (Abb. 10). Abb. 10: "Sumpfen" lassen. Nun wird das noch verbliebene, trockene Gipspulver an der Oberfläche verteilt - hier reicht auch das "Aufstucken" des Gipsbechers auf den Arbeitsplatz - und man geht langsam zum Durchspateln über bis ein vollkommen benetzter Gipsbrei vorhanden ist (Abb. 11). Abb. 11: Vorspateln bis alles trockene Gipspulver mit Wasser benetzt ist. Den Gipsbecher in den Mischer setzen und mit der Vakuumpumpe verbinden. Vakuum voll aufbauen (95 - 100%). Erst jetzt den Rührvorgang starten. WICHTIG: Jetzt unbedingt das Vakuum auf ca. 80% der vollen Leistung zurückdrehen. Wasser fängt bei einem Vakuum von 95 - 100% bereits bei Raumtemperatur an zu kochen (Abb. 12). Abb. 12: Aber Vorsicht: Bei zu hohem Vakuum fängt Wasser bereits nach wenigen Sekunden bei Raumtemperatur an zu kochen. Siedeblasen wären die Folge. Blasenreicher Gipsbrei und veränderte Verarbeitungseigenschaften durch Absaugen von Wasserdampf sind hier nicht zu verhindern. Bei 80% Vakuum lässt sich dieses Problem vermeiden. Hat man keine Möglichkeit, den Partialdruck zu verändern (z.B. Continental Power Mixer - WhipMix), sollte bei Rührzeiten über 30 Sekunden eine Unterbrechung in den Rührvorgang gebracht werden. Jetzt wie gewohnt sorgfältig ausgießen, aber... ... den Rührbecher nie beim Ausgießen der Abformung auf den Rüttler stellen. Farb- und Füllstoffe setzten sich am Boden des Bechers ab und verändern die Qualität des fertigen Meistermodells nachteilig.

Mit Vakuummischgeräten lassen sich alle wichtigen Verarbeitungseigenschaften automatisieren. Doch auch ohne dieses Gerät kann jetzt eigentlich nichts mehr schief gehen, vorausgesetzt, man kennt die Tücken des Zusammenspiels von Gips mit den verschiedenen Abformmassen.

Wie wird ein optimales Zusammenspiel zwischen Abformmassen und Gips erreicht?

In der heutigen Praxis sind folgende fünf  Abformmassen am gängigsten:

Die verschiedenen Abformmassen müssen alle unterschiedlich vorbehandelt werden, damit optimale Ergebnisse zum Standard werden:

1. A-Silikon: Das Abbinden von A-Silikonen und das Zurückstellen ist nach der Entnahme aus dem Mund noch nicht vollständig beendet. Deshalb sollte dieses Material frühestens 1 Stunde später ausgegossen werden. Diese Zeit benötigt das Material, um sich vollständig zurückzustellen und vollkommen auszupolymerisieren. Das Material sollte trocken und druckfrei verpackt aus der Zahnarztpraxis ins Labor geliefert werden. Silikone sind hydrophob, d. h. benetzungsunfreundlich bzw. wasserabweisend, und müssen vor dem Ausgießen mit einem Entspannungsmittel kurz benetzt werden. Dies sollte geschehen, in dem man aus etwa 30 cm Entfernung einen dünnen Nebel in die Abformung hinein sprüht. Natürlich dürfen keine "Entspannungsmittelpfützen" in den Impressionen stehen bleiben, da an solchen Stellen erhebliche Probleme auftreten würden (weiche Stellen, fehlende Stellen). Silikone sollten vorzugsweise im Rimlocklöffel verarbeitet werden.
   
   
2. K-Silikone: Auch bei der Verwendung von kondensationsvernetzten Silikonen muss man wissen, dass das Material nach der Entnahme aus dem Patientenmund noch nicht vollständig abgebunden ist und es sich noch nicht wieder vollständig zurückgestellt hat. Deshalb sollte eine K-Silikon-Abformung ebenfalls frühestens nach 1 Stunde ausgegossen werden. Länger als sechs Stunden sollte man allerdings nicht warten, denn K-Silikone scheiden als Reaktionsprodukt geringe Mengen Alkohol und Wasser aus und unterliegen somit einer ständigen Kontraktion (Nicht über das Wochenende liegen lassen!). Da das K-Silikon eine Kontraktion von 0,2 - 1,2% aufweist (A-Silikone liegen bei 0,0 - 0,1%), sollte die Abformung für eine implantologische Suprastruktur nicht mit diesem Material hergestellt werden. Auch K-Silikone müssen vor dem Ausgießen mit Silikonentspanner dünn eingesprüht werden. Zu verwenden ist K-Silikon ebenfalls am besten in einem Rimlock-Löffel.
   
   
3. Polyäther: Polyäther ist hydrophil, d. h. benetzungsfreundlich, und darf aus diesem Grund nie mit der Gegenbissabformung, die ja meistens aus Alginat hergestellt ist, in einer Versandtüte verpackt werden. Der zu lange Kontakt mit Wasser, und sei es nur die feuchte Luft in dem Milieu der Versandtüte mit Alginatabformung, ist "tödlich" für jede Polyätherabformung, da das Material aufschwemmen würde. Polyäther darf nicht mit Silikonentspanner vorbehandelt werden, sondern sollte stattdessen direkt vor dem Ausgießen kurz mit Wasser benetzt werden. Bis zum Ausgießen der Polyätherabformung muss ebenfalls mindestens 1 Stunde vergangen sein. Dieses Material benötigt Zeit, um vollständig auszupolymerisieren und sich zurückzustellen. Die Abbindekontraktion von Polyäther liegt bei 0,1 - 0,2% und ist somit für die Herstellung von Abformungen für implantologische Suprastrukturen sehr geeignet. Zu verwenden sind ebenfalls Rimlock-Löffel.
   
   

   Tipp: Woran erkennt man, ob das Abformmaterial hydrophob oder hydrophil ist? Ganz einfach: Bringen Sie einen Wassertropfen auf die Oberfläche der Abformung und beobachten Sie ihn. Bleibt der Tropfen rund und lässt er sich hin und her verschieben ohne zu verlaufen, ist die Abformmasse hydrophob (Abb. 13). Verläuft der Wassertropfen sofort, ist die Abformmasse hydrophil (Abb. 14). Abb. 13 Abb. 14

   
   
4. Hydrokolloide: Direkt nach der Entnahme aus dem Mund des Patienten und nach der Desinfektion muss der "Hydro" zur Neutralisierung für 10 Minuten in eine 2-prozentige Kaliumsulfatlösung eingelegt werden. Anschließend mit Wasser ausspülen, ausschlagen (oder vorsichtig abblasen) und dann sofort mit geringster Rüttlereinstellung ausgießen, denn Hydrokolloide sind nicht lagerfähig. Mit einer Schrumpfung von bis zu 1,5% ist bereits nach einer trockenen Lagerung von ca. 30 Minuten zu rechnen. Die Oberfläche dieses Materials sollte auf jeden Fall noch nass glänzen, sonst würde ein zu trockenes Hydrokolloid dem Gipsbrei Wasser entziehen. Als Folge entstehen helle, weiche Stellen. Hydrokolloide werden in speziellen, kühlfähigen Abformlöffeln verwendet. Dieses Material ist hervorragend für Implantatabformungen ("Hydroabformpfosten") geeignet.
   
   
5. Alginate: Die genauesten Modelle aus einer Alginatabformung erhält man, wenn man sie bis spätestens 20 Minuten nach der Entnahme aus dem Patientenmund ausgießt. Vorher muss die Abformung unter fließendem Wasser gereinigt und desinfiziert werden. Hierzu eignet sich ein ca. 5-minütiges Bad in Peressigsäure. Ist ein Ausgießen in dieser Zeit nicht möglich, kann eine Alginatabformung für eine kurze Zeit in einem feuchten Milieu und druckfrei gelagert werden, ohne dass Qualitätsverluste zu befürchten sind. Das Einlegen in nasse Zellstofftücher ist eine sehr schlechte "Frischhaltetechnik". Diese Unsitte hat für die verschiedenen Alginate unterschiedliche Auswirkungen: Einige Alginate expandieren, um anschließend sofort zu kontrahieren, andere Fabrikate kontrahieren trotz der Wasseraufnahme sofort. In beiden Fällen ist eine korrekte Modellherstellung nicht möglich. Da auch Alginat nicht lagerfähig ist, kann dieses Material nur unter Vorbehalt für die Implantologieabformung benutzt werden.

Beachtet man diese kleinen Hinweise, kann bei der Herstellung eines Meistermodells nicht mehr viel falsch laufen. Denn: das Gipsmeistermodell ist die Basis für eine sehr hochwertige zahnmedizinische und zahntechnische Handwerksarbeit.

Korrespondenzadresse:
ZTM Martin Kuske
Roswitha - von - Gandersheim Weg 29
42897 Remscheid

Bilderverzeichnis:

• Abbildung 1, 2, 6, 8 mit freundlicher Genehmigung der Fa. Whip Mix, Kentucky, USA
• Abbildung 4 mit freundlicher Genehmigung der Fa. Dentona, Dental Produktions- und Vertriebs-GmbH, Dortmund
• Abbildung 5, 7, 9, 10, 11, 12, 13 u. 14: Britta Kuske, Remscheid