Zahnpflege: Hohe Reinigungsleistung ohne Schädigung

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Zur Beschreibung der bei der Zahnpflege auftretenden Wechselwirkungen muss den unterschiedlichen, komplexen Mechanismen und Anforderungen biologischer Materialien Rechnung getragen werden. So hat die Anwendung von Zahnpasten eine möglichst effiziente Reinigungsleistung zum Ziel, die durch den Abtrag organischer Filme erreicht wird. Zur Beseitigung von oralen Biofilmen werden neben oberflächenaktiven Komponenten auch unterschiedliche Abrasivstoffe (Putzkörper) beigemengt. Dies führt  einerseits zu einer verbesserten Reinigungsleistung, andererseits erhöht der Einsatz von Putzkörpern das unerwünschte Abrasionsrisiko am Zahnschmelz, dessen Regeneration nicht möglich ist.

Eine zuverlässige messtechnische Erfassung und Bewertung der verschiedenen Einflussfaktoren Reinigungsleistung, Polierwirkung und Minimal-Abrasivität im unmittelbaren Oberflächenbereich und deren Wechselwirkungen ggf. unter Berücksichtigung von Speichel und mechanischem Kontakt der Filamente einer Zahnbürste stellt eine bisher nicht gelöste Aufgabe dar, durch deren Lösung die Entwicklung neuer Zahnpflegeprodukte effektiv unterstützt werden kann.

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Problemstellung

Ziel ist es neue methodische Ansätze zur messtechnischen Erfassung und Bewertung der auftretenden Wechselwirkungen bei der Zahnpflege mit Bürste und Zahnpasta zu entwickeln. Hierbei soll der Vorgang des Zähneputzens auf die Betrachtung des tribologischen Systems bestehend aus Zahnbürsten-Monofilament und Zahnschmelz umgeben von unterschiedlichen Partikelsuspensionen bzw. verschieden abrasiven Zahnpasta-Wasser-Gemischen reduziert werden. Neben der Einschätzung der Abrasivität von Zahnpasten soll auch das Reib- bzw. Reinigungsverhalten von Zahnbürsten-Filamenten näher untersucht werden.

Das Ziel besteht weiterhin darin, ein detaillierteres Verständnis der mechanischen Vorgänge bei der Zahnreinigung zu entwickeln. Unter Verwendung von SimPARTIX® werden hierzu partikelbasierte Simulationen durchgeführt, bei denen systematisch die Einflüsse verschiedener Prozess- und Materialparameter auf den Spannungseintrag und damit das Abrasionsrisiko an der Zahnschmelzoberfläche untersucht werden können. Das Zahnbürsten-Monofilament betreffend werden die Elastizität sowie die ausgeübte Kraft und die Geschwindigkeit variiert. Ebenso werden der Einfluss der viskoelastischen Eigenschaften der Zahnpasta sowie die Auswirkungen der Form der Putzkörper untersucht.

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Ergebnisse

Die Simulationen demonstrieren, dass verschiedene Faktoren auf die Reinigungsleistung der Zahnpasten und der Zahnbürsten Einfluss haben können. Eine Steigerung der Viskosität der Zahnpasta erhöht zum einen den Spannungseintrag auf den Zahnschmelz und schädliche Biofilme, zum anderen die Einfangswahrscheinlichkeit der Putzkörper durch das Filament. Beides sind primäre Einflussfaktoren für die Putzleistung des gesamten Tribosystems Zahnbürste-Zahnpasta-Zahnschmelz.

Anhand der gewonnen Ergebnisse können nun neue Versuchsmodelle abgeleitet und mit der Industrie für die Produktentwicklung eingesetzt werden. Die numerischen Modelle und Simulationen können zur Optimierung von Zahnpasten hinsichtlich ihrer Reinigungswirkung bei gleichzeitig moderater Abrasivität herangezogen werden.

Die verwendete Methodik lässt sich auch auf andere Materialien ausweiten. Materialien wie Haut oder dentale Komposite, haben ähnliche Fragestellungen hinsichtlich des Reibungs- und Verschleißverhaltens in Verbindung mit Strukturänderungen wie z.B. der Versprödung und Festigkeitszunahme bei Kompositen oder des elastischen Verhaltens der Haut.

Fraunhofer IWM: Fluid (weißlich transparent) und Abrasiva (grünlich) sind im Halbschnitt dargestellt. Der Spannungseintrag auf den Zahnschmelz durch ein von dem Filament eingefangenes Abrasivkorn ist in rot gekennzeichnet
Momentaufnahme aus der Simulation. Fluid (weißlich transparent) und Abrasiva (grünlich) sind im Halbschnitt dargestellt. Der Spannungseintrag auf den Zahnschmelz durch ein von dem Filament eingefangenes Abrasivkorn ist in rot gekennzeichnet.

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