Zahnarztpraxen: Forscher wollen Aerosolbildung komplett unterbinden

Die US-Forscher testeten dazu in ihrer Studie, ob ein Zusatz von der von der Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen Polymeradditiven mit hohem Molekulargewicht und hoher Viskoelastizität im Kühlwasser die Aerosolbildung möglicherweise ganz unterbinden könnte. Rheologen sprechen hier im Unterschied zu Zahnärzten und Ärzten nicht von Aerosolisierung, sondern von der Zerstäubung von Flüssigkeiten.

Bentley et al. hatten schon 1994 in ihrer Studie Versuche unternommen, in denen sie die Ausbreitung von Bakterien über Kühlwasserspritzer und Spraynebel untersucht hatten. Sie identifizierten Ultraschall-Scaler und luftbetriebene Turbinenhandstücke als besonders ungünstig für die Verbreitung von pathogenhaltigen Tröpfchen und Aerosolen.

Die Aerosolbildung beim Ultraschall-Scaler und bei der Turbine läuft unterschiedlich ab. Beim Scaler bildet sich an der Spitze eine steter Wassertropfen, der am Zahnfleischrand aufliegt. Die Vibration der Scalerspitze in diesem Tropfen führt zur Aerosolbildung. Der Bohrer an der pneumatischen Turbine ist dagegen mit einem abfließenden Flüssigkeitsfilm bedeckt, welcher aufgrund der Zentrifugalkraft des rotierenden Bohrers von ihm weg beschleunigt wird. So entstehen sehr kleine, kaum sichtbare Tröpfchen.

Die Forscher untersuchten zwei verschiedene Polymer-Zusätze: Polyacrylsäure und Xanthangummi. Polyacrylsäure dient als Wasserabsorber - zum Beispiel in Babywindeln - oder als Gelbildner - zum Beispiel in der Arzneimittelherstellung. Die lockere Vernetzung der Moleküle lässt Platz für die Einlagerung von Wasser. Xanthangummi wird in der Lebensmittelindustrie unter der Bezeichnung E 415 als Verdickungs- und Geliermittel verwendet, etwa in Milchprodukten, Dressings oder Ketchup.

Diese beiden Additiva untersuchten die Wissenschaftler jeweils als Kühlwasserzusatz des Cavitron-Scalers (DENTSPLY

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Ultraschall-Scaler) und eines Turbinen-betriebenen Handstücks. Dabei machte das Xanthangummi 0,8 und die Polyacrylsäure zwei Gewichtsprozent der Kühllösung aus. Die Additive erhöhten die Viskosität des Wassers, indem sie es „zäher“ und „elastischer“ machten. Rheologen sprechen von der Scher- und Dehnviskosität. Speichel ist zum Beispiel eine natürliche viskoelastische Flüssigkeit und verringert die Tendenz zur Aerosolbildung im Zusammenspiel mit zahnmedizinischen Ultraschall- oder rotierenden Instrumenten.

Die Polyacrylsäure steigerte in der Studie die Scherviskosität des Wassers um den Faktor sechs, während das Xanthangummi sie nur dreifach erhöhte. Daneben erhöhte sich auch die Dehnviskosität des Kühlwassers mit dem Zusatz der Polymere. Wenn sich ein Tropfen von einem Flüssigkeitskörper ablösen möchte, bildet sich ein „Tröpfchenschwanz“. Je „elastischer“ die Flüssigkeit ist, desto mehr zieht sich der Tröpfchenschwanz in die Länge und erlaubt es dem Tropfen nicht, sich abzulösen. Die langkettigen Polymermoleküle wirken hier wie Gummibänder.

"Hier kommen die signifikanten elastischen Kräfte ins Spiel, die mit dem Coil-Stretch-Übergang von Polymermakromolekülen verbunden sind“, sagte Alexander Yarin, Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen der Universität von Illinois Chicago und Senior-Autor der Studie. Coil-Stretch-Mechanismus bedeutet, dass sich geknäulte Polymerketten durch Scherkräfte strecken. „Sie unterdrücken die Schwanzdehnung und ziehen das Tröpfchen zurück, wodurch die Aerosolisierung vollständig verhindert wird."

Bei Verwendung des Cavitron-Scalers mit dem Polyacrylsäure-Additiv zeigte sich folgender Ablauf: Ein Anfangszustand, bei dem ein Wassertropfen den Scaler herunterrinnt und an der Spitze verbleibt (natürlich rinnt immer Wasser nach). Dann der Moment, in dem normalerweise die Aerosolisierung beginnen würde. Doch mit dem Polyacrylsäure-Zusatz bildeten sich Ausstülpungen an dem Wassertropfen, die an ein Medusenhaupt erinnern.

Schließlich stellte sich eine Art Gleichgewichtszustand ein. Der Flüssigkeitstropfen, in dem die Scalerspitze steckte, zeigte lediglich Wellen an ihrer Oberfläche, aber es lösten sich keine Tropfen ab, da die elastischen Kräfte die Aerosolisierung vollständig verhinderten. Auch der Xanthangummi-Zusatz konnte die Aerosolisierung am Cavitron-Scaler verhindern.

Verwendeten die Forscher das Turbinenhandstück mit Zusatz von Polyacrylsäure im Kühlwasser, zeigte sich nach einem Ausgangszustand vor der Luft-/Wasserbenetzung des Bohrers, ein Zustand der Verwirbelung des Kühlwassers. Die Wasserwirbel blieben in der Nähe des Bohrkopfs. Danach setzte ein stabiler Zustand mit Wirbeln um den Bohrkopf und einem Abfließen der Kühlflüssigkeit nach unten ein, da immer wieder Wasser nachrinnt. Eine Aerosolisierung erfolgte nicht.

Yarin: "Was überraschend war, ist, dass das allererste Experiment in meinem Labor das Konzept vollständig bewiesen hat. Es war erstaunlich, dass diese Materialien die Aerosolisierung durch Dentalwerkzeuge mit erheblichen Trägheitskräften so einfach und vollständig unterdrücken konnten. Dennoch waren die aufgrund geringer Mengen an Polymeradditiven erzeugten elastischen Kräfte stärker."

Jevon Plog, Jingwei Wu, Yasmin J. Dias, Farzad Mashayek, Lyndon F. Cooper, Alexander L. Yarin: “Reopening dentistry after COVID-19: Complete suppression of aerosolization in dental procedures by viscoelastic Medusa Gorgo.“ Physics of Fluids Vol. 32, Issue 8, 083111 (2020);https://doi.org/10.1063/5.0021476,Literatur

C. D. Bentley, N. W. Burkhart, and J. J. Crawford, “Evaluating spatter and aerosol contamination during dental procedures,” J. Am. Dent. Assoc., JADA 125, 579–584 (1994). doi.org/10.14219/jada.archive.1994.0093