Entwicklung von Miniaturstrukturen aus Faserkunststoffverbundwerkstoffen für die ultraschallbasierte Dekontamination von non-shedding surfaces im menschlichen Organismus

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Dannemann; Dr. Marie-Theres Kühne
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Zahnheilkunde; Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277550171

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Jährlich werden in Deutschland rund 7 Millionen Wurzelkanalbehandlungen durchgeführt. Trotz sehr guter chemo-mechanischer Aufbereitungsmethoden können endodontische Behandlungen scheitern. Ein maßgeblicher Grund hierfür sind residuale Bakterien, die in unbehandelten Wurzelkanalabschnitten des komplex verzweigten Wurzelkanalsystems verbleiben und zu Infektionen führen. Die spezielle Histologie des Dentins begünstigt die Infiltration von Bakterien. Desinfizierende Agenzien in Kombination mit Schall-/Ultraschallsystemen werden deshalb ergänzend angewendet, um den bakteriellen Biofilm in schwer zugänglichen Arealen des Wurzelkanalsystems zu entfernen. Aktuelle Schall-/Ultraschallsysteme (Metall, Kunststoff) sind für die Anwendung im Wurzelkanal nur begrenzt geeignet. Bei Metall-Ultraschallnadeln besteht die Gefahr der Instrumentenfraktur oder gar der Perforation in englumigen und stark gekrümmten Wurzelkanälen. Kunststoff-Schallnadeln hingegen erscheinen nachgiebiger, weisen jedoch eine höhere Werkstoffdämpfung auf, welche zu einer niedrigeren Reinigungsleistung führen kann. Das übergeordnete Ziel des interdisziplinären Projektes war es herauszufinden, ob Ultraschallnadeln mit ingenieur-zahnmedizinischen Methoden in Form einer seriell-analytischen Methodik auszulegen sind, welche ohne Dentinschädigung zu einem hohen Reinigungserfolg des Wurzelkanals beitragen. Es galt Methoden zur Erfassung abstrahierter, virtueller Wurzelkanalgeometrien zu erarbeiten, um die erforderlichen Materialbedingungen für Ultraschallnadeln zu definieren und Simulationsstudien durchzuführen. Mit Hilfe zerstörungsfreier radiographischer Visualisierungsmethoden (DVT, Mikro-CT) von Wurzelkanalsystemen war eine Parametrisierung humaner Wurzelkanäle möglich. Die virtuell erarbeiteten Wurzelkanalmodelle konnten in Stahl- und Dentin-Modelle überführt werden. Anhand der Wurzelkanäle unterschiedlicher Krümmungsradien im Stahlmodell ließen sich konventionelle Schall-/Ultraschallnadeln standardisiert auf Versagen und Defizite testen. Parallel war es möglich, Fertigungsparameter für eine neuartige Ultraschallnadel zu identifizieren, eine Pultrusionsanlage anzupassen sowie Lagerungsversuche potentieller FKV/Hochleistungspolymere durchzuführen und erste FKV-/Hochleistungspolymer-Miniatur- Demonstratorstrukturen zu fertigen. Die Miniaturstrukturen konnten im Vergleich mit konventionellen Schall-/Ultraschallnadeln in einem erstmalig standardisiert CNC-gefrästen, bovinen Dentinmodell mit einer neu etablierten Methode zur tribologischen Untersuchung, der optischen 3D-Digitalisierung, auf Versagen und Dentinabtrag getestet werden. Überdies wurde ein Protokoll zur bakteriellen Besiedelung eines humanen Wurzelkanalmodells mit Enterococcus faecalis etabliert. Erstmalig konnte fluoreszenzmikroskopisch mit 4,6-Diamidin-2-phenylindol die Penetrationstiefe von vitalen und avitalen Enterococcus faecalis-Bakterienzellen innerhalb der Dentintubuli sowie die Reduktion der bakteriellen Besiedelung durch unterschiedliche desinfizierende Agenzien nachgewiesen werden. Zur quantitativen Beurteilung des Reinigungsgrades von Wurzelkanalsystemen wurde ein Verfahren etabliert, in welchem die bakteriell kontaminierten Wurzeln mit einer Kryomühle zermahlen, die bakterielle DNA extrahiert und mittels qPCR quantifiziert wird. Mithilfe der qPCR war es so möglich, die Reinigungswirkung des neuartigen Ultraschallnadel-Demonstrators und konventioneller Ultra-/Schallansätze sowie desinfizierender Agenzien auf das Wurzelkanalsystem zu untersuchen. Schlussfolgernd war es möglich, einen Ultraschall-PEEK-Demonstrator mit ingenieur-zahnmedizinischen Methoden auszulegen und zu fertigen, welcher vergleichbar gute Reinigungserfolge ohne Schädigung der Zahnhartsubstanzen verzeichnete.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An approach for a mathematical description of human root canals by means of elementary parameters. J Endod 43 (2017), S. 536–543
  Dannemann, M; Kucher, M; Kirsch, J; Binkowski, A; Modler, N; Hannig, C; Weber, MT
  
• Is it really penetration? Locomotion of devitalized bacterial cells within dentinal tubules. Arch Oral Biol 83 (2017), S. 289–296
  Kirsch, J; Basche, S; Neunzehn, J; Dede, M; Dannemann, M; Hannig, C; Weber, MT
  
• Effects of endodontic irrigants on material and surface properties of biocompatible thermoplastics. Dent J 7 (2019)
  Kucher, M; Dannemann, M; Modler, N; Hannig, C; Weber, MT
  
• Is it really penetration? Part 2. Locomotion of Enterococcus faecalis cells within dentinal tubules of bovine teeth. Clin Oral Investig 23 (2019), S. 4325–4334
  Kirsch, J; Basche, S; Neunzehn, J; Dede, M; Dannemann, M; Hannig, C; Weber, MT
  
• MTAD: Is it the right “solution”? – An overview. DDZ International 1 (2019), S. 144–150
  Dede, M; Timpel, J; Kirsch, J; Hannig, C; Weber, MT
  
• Continuous measurement of three-dimensional root canal curvature using cone-beam computed and micro-computed tomography: A comparative study. Dent J 8 (2020)
  Kucher, M; Dannemann, M; Modler, N; Haim, D; Hannig, C; Weber, MT
  
• Quantification of bacterial colonization in dental hard tissues using optimized molecular biological methods. Front Genet 11 (2020)
  Sterzenbach, T; Pioch, A; Dannemann, M; Hannig, C; Weber, MT
  
• An automated measurement method for the endodontic working width of lower molars by means of parametric models using cone-beam computed tomography and micro-computed tomography. J Endod 47 (2021), S. 1790–1795
  Kucher, M; Dannemann, M; Modler, N; Hannig, C; Weber, MT
  
• Mapping of the micro-mechanical properties of human root dentin by means of microindentation. Materials 14 (2021)
  Kucher, M; Dannemann, M; Modler, N; Bernhard, MR; Hannig, C; Weber, MT
  
• Sliding friction and wear of human teeth against biocompatible polyether ether ketone (PEEK) under various wear conditions. Wear 486-487 (2021), S. 1–8
  Kucher, M; Dannemann, M; Füßel, R; Weber, MT; Modler, N