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Simulation der Wechselwirkung einer Zahnbürstenborste mit der Suspension mit kugelähnlichen Abrasivpartikeln
 
Zahnheilkunde 3. Mai 2016

Erst simuliert, dann ausprobiert

Bessere Pflegeprodukte durch virtuelles Zähneputzen: Das ist die Idee hinter einer neuartigen Entwicklung von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik.

Zahnpasten und -bürsten zu entwickeln, ist zeitraubend: Zahlreiche Proben müssen hergestellt und untersucht werden. Mit einer neuartigen Simulation lassen sich die verschiedenen Parameter, wie etwa die Form der Borsten oder die Größe der Putzkörper, mit einem Klick ändern.

Morgens beim Aufwachen ist ein pelziger Belag auf den Zähnen zu spüren: Ein Biofilm, der sich über Nacht gebildet hat und auf Dauer zu Karies führen kann. Deshalb ist es wichtig, die Zahnbürste zu nehmen und diesem „Pelz“ den Garaus zu machen. Die Auswahl an Zahnpflegeprodukten ist groß.

Zahnpasta und Bürsten-Check

So finden sich bei den Bürsten abgerundete und spitze, harte und weiche Borsten. Auch solche mit verschieden langen Filamenten werden angeboten. Welche die Zähne am gründlichsten reinigen und den Zahnschmelz dabei möglichst schonen, konnten die Hersteller bisher nur durch Experimente abschätzen.

Ebenso verhält es sich bei den scheuernden, sprich abrasiven Partikeln – den Putzkörpern – in den Zahnpasten. Verschiedene Pasten mit unterschiedlichen Partikeln mussten angerührt und auf künstlichem Zahnschmelz untersucht werde; eine aufwändige Angelegenheit. Weiteres Manko: Da sich nur das Gesamtsystem Zahnbürste, Zahnpasta und Zahnschmelz untersuchen lässt, können die Produzenten mithilfe dieser Experimente schwer beurteilen, welchen Einfluss jeder einzelne Parameter ausübt.

Zähneputzen simulieren

Eine neuartige Simulation schafft Abhilfe. Entwickelt wurde sie von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg. „Mit unserem Verfahren können Hersteller von Zahnpflegeprodukten schnell, kostengünstig und zuverlässig erfassen, welchen Einfluss die jeweiligen Faktoren auf die Reinigung haben“, sagt Dr. Christian Nutto, Wissenschaftler am IWM.

Laut Nutto ließen sich, anders als im Experiment, die einzelnen Parameter in der Simulation viel einfacher variieren – sei es die Größe, die Form oder auch die Menge der abrasiven Partikel in der Zahnpasta, sei es das Material, aus dem sie bestehen, oder die Form und die Elastizität der Bürsten-Filamente.

„Wir können die Untersuchungen viel breiter anlegen, als dies bei realen Tests möglich wäre – was sich in der Qualität der Produkte bemerkbar macht.“ Welche Auswirkungen haben Form und Steifigkeit der Zahnbürstenfilamente beim Putzen? Wie wirken sich unterschiedliche Putzkörper und die Viskosität, also die Zähigkeit der Zahnpasta auf Zahnschmelz, und das eigentliche Angriffsziel aus - den Biofilm auf den Zähnen? Solche Fragen kann die Simulation zuverlässig beantworten, und zwar lange bevor die Hersteller die Zahnpasta angerührt haben.

Christian Nutto setzt dabei auf die am IWM entwickelte Simulationssoftware SimPARTIX®, welche die neue Partikelsimulationsmethode „Smoothed Particle Hydrodynamics“, kurz SPH, verwendet, „Wir geben dabei Eigenschaften wie beispielsweise Fließfähigkeit, Dichte, Form und Füllfaktor der Abrasivpartikel vor“, erläutert Nutto. Auch Parameter für den Zahnschmelz werden berücksichtigt.

Das virtuelle Zahnbürsten-Filament streicht dann über den Zahnschmelz: Die Simulation ermittelt wie die scheuernden Partikel mit dem elastischen Filament wechselwirken. Zudem berechnet sie die Reinigungswirkung und wie aggressiv die Abrasivpartikel auf den Zahnschmelz wirken. So lässt sich beispielsweise die Druckverteilung bei unterschiedlich viskoser Suspension mit kugelähnlichen Abrasivpartikeln, wenn ein Zahnbürstenfilament über den Zahnschmelz streicht, simulieren. Die viskosere Zahnspastasuspension bewirkt folgerichtig eine stärkere Abreibung auf dem Zahnschmelz.

Das Team der Gruppe „Pulvertechnologie, Fluiddynamik“ kann in diesem Zusammenhang sowohl die Geschwindigkeit variieren, mit der sich die Borsten über den Zahnschmelz bewegen, als auch die Kraft, mit der sie aufgedrückt werden. Zur Integration der Partikelsimulation in standardisierte Simulationsprogramme hat das Team um SimPARTIX® in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI, ein zusätzliches Softwaretool, entwickelt.

Software berechnet Wirkung von Zahnpasta auf Zahnschmelz

Doch stimmen die Ergebnisse auch mit der Realität überein? Die Vergleichsexperimente führte Dr. Andreas Kiesow mit seinen Mitarbeitern am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) in Halle sowie am MikroTribologie Centrum (μTC) in Karlsruhe durch.

Ein Bürsten-Filament, das in eine Halterung eingespannt wurde, bewegte sich dabei mit gleichbleibender Geschwindigkeit über den künstlichen Zahnschmelz, auf dem sich auch die Zahnpasta befand. Das Ergebnis: Die Simulation kann präzise vorhersagen, wie sich Zahnpasta und Bürstenfilamente auf den Zahnschmelz auswirken. In einem nächsten Schritt soll sie auch vorhersagen können, wie effektiv die Bürsten und Pasten den Biofilm von den Zähnen entfernen.

Fraunhofer IWM, Zahnarzt 5/2016

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