Aus der Wissenschaft zu SARS-CoV-2

Zahnarztpraxen: Forscher wollen Aerosolbildung komplett unterbinden

Physiker der Universität Illinois Chicago verfolgen einen ganz neuen Ansatz, um die Gefahr einer möglichen Infektion mit SARS-CoV-2 bei einer zahnärztlichen Behandlung zu reduzieren: Sie wollen die Spraynebelbildung komplett verhindern.

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.

Ultraschall und Turbine sind kritisch bei Virusübertragung

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.

Physiker nutzten Polymer-Zusätze aus Windeln und Ketchup

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®, Cavitron® SelectTM SPSTM 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.

Geknäulte Polymerketten ziehen die Tröpfchen zurück

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."

Es kommt zu Ausstülpungen anstelle von Aerosolbildungen

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.

Standbilder aus einer Videosequenz über die Verwendung eines Cavitron-Scalers mit Zusatz von zwei Gewichtsprozent Polyacrylsäure in der Kühlflüssigkeit: a) Ausgangsituation, b) „Medusenhaupt“, c) Pseudo-Gleichgewichtszustand ohne Aerosolbildung. | © J. Plog et al., Physics of Fluids Vol. 32, Issue 8, 083111 (2020) with the permission of AIP Publishing

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.

Standbilder aus einer Videosequenz über die Verwendung eines rotierenden Instruments mit Zusatz von zwei Gewichtsprozent Polyacrylsäure in der Kühlflüssigkeit: a) Ausgangssituation, b) Wasserwirbel und c) Pseudo-Gleichgewichtszustand ohne Aerosolbildung.  | © J. Plog et al., Physics of Fluids Vol. 32, Issue 8, 083111 (2020) with the permission of AIP Publishing

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."

Einordnung der Ergebnisse

Daten, die belegen, dass eine technische Kontrolle der Aerosolisierung beziehungsweise eine Unterdrückung tatsächlich eine Virusübertragung verhindern, gibt es derzeit noch nicht, wie auch die Studienautoren feststellten. Die mit Polymeren versetzten Kühllösungen sind nicht antibakteriell oder antiviral. Viskoelastische Kräfte verhindern innerhalb der Flüssigkeit lediglich eine Tröpfchenbildung. Die üblichen Schutzmaßnahmen werden auch weiterhin unerlässlich bleiben.

Dennoch hat die Bewässerungslösung der zahnärztlichen Instrumente mit von der FDA zugelassenen Polymeren mit hohem Molekulargewicht (wie zum Beispiel Polyacrylsäure) das Potenzial, die Tröpfchenbildung an Rotations- und Ultraschallinstrumenten zu verringern oder vollständig zu beseitigen. Dadurch verringert sich auch das Risiko einer Aerosolübertragung infektiöser Mikroben bei zahnmedizinischen und medizinischen Behandlungen mit rotierenden oder vibrierenden Instrumenten. Diese Technologie ist kosteneffizient.

Für die Erfindung der Technik zur Unterdrückung der Aerosolisierung in der Zahnmedizin unter Verwendung von Polyacrylsäure, Xanthangummi und anderen infrage kommenden Polymeren aus der Lebensmittelindustrie mit hohem Molekulargewicht läuft bereits eine Patentanmeldung.

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

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