Forscher wollen Aerosolbildung komplett unterbinden

Die US-Forscher testeten, ob – von der Food and Drug Administration (FDA) zugelassene – hinzugefügte Polymeradditive mit hohem Molekulargewicht und hoher Viskoelastizität im Kühlwasser die Aerosolbildung möglicherweise ganz unterbinden können. 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 „Evaluating spatter and aerosol contamination during dental procedures” 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 ein 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, der aufgrund der Zentrifugalkraft des rotierenden Bohrers von ihm weg beschleunigt wird. So entstehen sehr kleine, kaum sichtbare Tröpfchen.

Die Forscher untersuchten zwei Polymer-Zusätze: Polyacrylsäure und Xanthangummi. Polyacrylsäure dient als Wasserabsorber – etwa in Babywindeln – oder als Gelbildner – etwa 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 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 nennen dies Scher- und Dehnviskosität. Speichel zum Beispiel ist 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 dieser 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 am Wassertropfen, die an ein Medusenhaupt erinnern (Abbildung 1). Schließlich stellte sich eine Art Gleichgewichtszustand ein. Der Flüssigkeitstropfen, in dem die Scalerspitze steckte, zeigte lediglich Wellen an seiner 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 (Abbildung 2). 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: „Überraschend war, dass das allererste Experiment im 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.“

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 weiterhin unerlässlich bleiben.

Dennoch hat die Bewässerungslösung der Instrumente mit von der FDA zugelassenen Polymeren mit hohem Molekulargewicht 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.

Dr. Med. Dent. Kerstin Albrecht

Medizin-/Dentaljournalistin

Studie: 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); DOI: 10.1063/5.0021476