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

Bioadhäsionsphänomene und anschließende Biofilmbildung auf non-shedding surfaces im menschlichen Organismus sind Ursache verschiedenster Pathologien und oft der Auslöser schwerwiegender Infektionen. So ist es in der Endodontie (Wurzelkanalbehandlung) ein maßgebliches Ziel, den bakteriellen Biofilm im Wurzelkanalsystem chemomechanisch zu entfernen. Hierfür werden desinfizierende Agenzien in Kombination mit ultraschallaktivierten Spülnadeln verwendet. Bisherige Konzepte liefern hierbei jedoch kein vollumfänglich zufriedenstellendes Ergebnis. Ziel des Vorhabens ist daher die Erarbeitung von standardisierten methodischen und experimentellen Grundlagen zur Konzeption, Modellierung und Entwicklung von Faserkunststoffverbund-(FKV-)Miniaturstrukturen für die optimierte ultraschallgestützte Reinigung von Wurzelkanalsystemen. Im ersten Projektzeitraum wurden humane Wurzelkanäle röntgenologisch erfasst, abstrahiert, parametrisiert und klassifiziert. Durch statistische Auswertungen wurde eine repräsentative Wurzelkanalgeometrie bestimmt und daraus ein neuartiges standardisiertes Wurzelkanalmodell unter Berücksichtigung histologisch-anatomischer Parameter abgeleitet. Die entwickelte Methode zur Parameterbestimmung der Wurzelkanalgeometrie soll auf die Auswertung von DVT-Datensätzen erweitert werden, um die klinische Relevanz zu erhöhen. Darüber hinaus konnten mikrobiologische Protokolle zur Besiedlung und zur fluoreszenzmikroskopischen Visualisierung von E. faecalis Biofilmen in Wurzelkanälen und Dentintubuli etabliert werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen soll im zweiten Projektzeitraum die gezielte Synthese der Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde für die Miniaturstrukturen fortgeführt werden. Dies erfordert zum einen die Bestimmung der verformungsinduzierten Beanspruchungen und werkstoffspezifischen Beanspruchbarkeiten und zum anderen klinisch relevanter Maße für die Reinigungswirkung und Dentinschädigung. Hierzu soll erstmalig die Kryopulverisierung zur Bestimmung der Gesamtbakterienanzahl in Wurzelkanalmodellen nach einer ultraschallaktivierten Reinigung mit desinfizierenden Agenzien angewendet werden. Zur Analyse und Quantifizierung des Dentinabtrags sollen stereoskopische Verfahren zum Einsatz kommen. Zudem sind Simulationsmodelle zu erarbeiten und experimentell zu validieren, die das instationäre Schwingungsverhalten mit intermittierendem Oberflächenkontakt realitätsnah abbilden. Diese Modelle dienen der Werkstoffsynthese und Auslegung von Ultraschallnadeln aus FKV. Abschließend werden die erarbeiten Methoden zur Bewertung einer FKV-Demonstratorstruktur angewendet. Die interdisziplinären Untersuchungen sind Grundlage für die erfolgreiche Translation von FKV-Ultraschallsystemen in weitere Bereiche der Zahnmedizin, wie etwa der Therapie von Paradontitis und Periimplantitis aber auch in Bereiche der Human- und Veterinärmedizin.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Christian Hannig; Professor Dr.-Ing. Niels Modler