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Kieferorthopädie 30.04.2019

Sandstrahlen: Bessere Verbundfestigkeit von Kunststoff auf Schmelz

Sandstrahlen: Bessere Verbundfestigkeit von Kunststoff auf Schmelz

Die im Folgenden vorgestellte Studie untersucht die Wirksamkeit der Präkonditionierung von Zahnoberflächen mittels Sandstrahlen bzw. inwieweit durch Anwendung dieser Methode eine Steigerung des Haftverbundes zwischen Zahnschmelz und Klebe-Kunststoff erzielt werden kann. Als Untersuchungsgegenstand dienten hierbei 13 korrespondierende und unversehrte Prämolarenpaare, deren Extraktionsnotwendigkeit im Rahmen kieferorthopädischer Behandlungen festgestellt worden war. Während bei der einen Hälfte der untersuchten Zähne die bukkalen Oberflächen mittels handelsüblicher Polierpaste und Polierkelch gesäubert wurden, wurde bei der anderen Hälfte mit Aluminiumoxid sandgestrahlt.

Einleitung

Aufgrund der anatomischen Variation der lingualen Zahnoberfläche und den daraus resultierenden unterschiedlichen biomechanischen Eigenschaften bei inkorrekter Platzierung eines Brackets werden ausschließlich indirekte Klebeprotokolle zur adhäsiven Befestigung der Lingualapparatur empfohlen. Der frühzeitige Verlust eines lingualen Brackets mit dem Risiko einer inkorrekten Repositionierung stellt daher eine erhebliche Komplikation im Behandlungsablauf dar.

Seit der Entwicklung der Säure-Ätz-Technik und ihrer Anwendung in der Kieferorthopädie wird der adhäsive Verbund zwischen konditionierter Schmelzoberfläche und Bracketbasis über einen sogenannten Haftvermittler erzeugt. Hierbei handelt es sich in der Regel um ungefüllte, niedrig visköse Kunststoffe, die in der Lage sind, in den oberen Bereich der konditionierten Schmelzschicht einzudringen und sogenannte „Tags“ auszubilden. Dadurch entsteht eine mikromechanische Verzahnung zwischen dem Haftvermittler und der superfiziellen Schmelzschicht. Der Befestigungskunststoff wiederum ist über Makroretentionen mit der Bracketbasis verbunden und verfügt aufgrund der Füllpartikel über eine ausreichend hohe Resistenz gegenüber den während der kieferorthopädischen Behandlung auftretenden Zug- und Druckkräften (Abb. 1).

Die klinische Bedeutung des effizienten Haftverbundes zwischen Haftvermittler und Schmelzoberfläche wurde bereits früh erkannt. 1945 führte Black1 intraorales Sandstrahlen ein. Hierunter versteht man die Beschleunigung von Aluminiumoxidpartikeln durch komprimierte Luft. Durch den Zusammenstoß mit der Schmelzoberfläche werden diese Partikel ruckartig abgebremst. Die dabei freiwerdende kinetische Energie erzeugt minimale Ausbrüche der Apatitkristalle in der superfiziellen Schmelzschicht. Dadurch werden eine Oberflächenvergrößerung sowie unter sich gehende Bereiche erzeugt, in denen der Haftvermittler neben dem adhäsiven Verbund auch mikromechanisch eine Verblockung erreicht (Chung et al., 20012). Es konnte gezeigt werden, dass der Klebeverbund zwischen Bracket und artifizieller Zahnoberfläche wie Amalgam, diversen Füllungskompositen, Keramik- oder Nicht-Edelmetall- bzw. Edelmetallrestaurationen durch vorheriges Sandstrahlen mit Aluminiumoxid deutlich gesteigert wurde. Eine alleinige Präparation der Zahnoberfläche durch Sandstrahlen ohne nachfolgendes Konditionieren erwies sich hingegen als untauglich (Chung et al., 20012; Berk et al., 20083; Elnafar et al., 20144).

Der Letztautor dieses Artikels hat bereits vor langer Zeit eindeutige Ergebnisse publiziert, die zweifelsfrei die Wirksamkeit des Sandstrahlens vor der Konditionierung und die damit verbundene Steigerung der Verbundfestigkeit zwischen Schmelz und Kunststoff beim indirekten Kleben belegen (Wiechmann, 20005). Erstaunlicherweise ist dieser Nachweis anderen Kollegen nicht gelungen. In der vorliegenden Untersuchung soll nun erneut der Einfluss des Sandstrahlens von Zahnschmelz vor der Konditionierung überprüft werden, wobei in diesem Fall ein direkter Klebevorgang simuliert wurde.

Material und Methode

Für die Untersuchung wurden 13 korrespondierende und unversehrte Prämolarenpaare von Patienten verwendet, bei denen im Rahmen der kieferorthopädischen Diagnostik und Therapieplanung die Notwendigkeit der Extraktion aus rein kieferorthopädischen Gründen festgestellt wurde. Die Prämolaren wurden in Gruppe A (nicht sandgestrahlt) und Gruppe B (sandgestrahlt) aufgeteilt und nach Entfernung der Zahnwurzel und der Kronenpulpa so in Gips eingebettet, dass nur die spätere Klebefläche frei blieb (Abb. 2).

Die bukkalen Zahnoberflächen der Gruppe A (nicht sandgestrahlt) wurden mit handelsüblicher Polierpaste (Henry Schein, Melville, NY, USA) und Polierkelch gesäubert (Abb. 3). Bei Gruppe B (sandgestrahlt) wurden die bukkalen Zahnoberflächen im Abstand von ca. drei Millimetern mit Aluminiumoxid einer Partikelgröße von 50 µm mit dem Microetcher® (Danville Engineering, Danville, CA, USA) sandgestrahlt (Abb. 4).

Die Zahnoberflächen beider Gruppen wurden nachfolgend mit 37-prozentiger Phosphorsäure für 30 Sekunden angeätzt (Abb. 5.) und anschließend abgesprüht und getrocknet.

Für die Herstellung der Kunststoffzylinder wurde jeder Prämolar in eine für diese Zwecke entwickelte Justiervorrichtung eingespannt (Ultradent, Brunnthal, Deutschland). Die präkonditionierte Zahnoberfläche schloss bündig mit der Trichteröffnung der Justiervorrichtung ab (Abb. 6). Als Kompositmaterial wurde in beiden Gruppen Phase II® (Reliance Orthodontic Products, Itasca, IL, USA) verwendet. Um die Fließfähigkeit des Kunststoffs zu erhöhen, wurde der Kunststoff mit dem dazugehörigen Resin (Reliance Orthodontic Products, Itasca, IL, USA) verdünnt. Zur optimalen Aushärtung wurden die Kunststoffzylinder vor ihrer weiteren Verwendung 24 Stunden bei Raumtemperatur in destilliertem Wasser gelagert. Auf diese Weise wurden 26 Kunststoffzylinder angefertigt (Abb. 7). Anschließend wurde jede Probe in einer speziell angefertigten Halterung in der Materialprüfmaschine Quasar 5 (Galdabini, Cardano al Campo, Italien) eingespannt (Abb. 8).

Diese präzise und reproduzierbare Fixierung gewährleistete, dass die Kraftapplikation jeweils exakt an der Zahn-Kunststoff-Grenzfläche erfolgte. Der Versuch wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,5 mm/min durchgeführt. Entsprechend wurde die Kraftapplikation bis zum Bruch zwischen Kunststoff- und Zahnoberfläche gesteigert (Abb. 9).

Ergebnisse

Abbildung 10 zeigt die Originalmessungen, aufgezeichnet von der Prüfmaschine. Die Messungen wurden nacheinander durchgeführt und im Diagramm von links nach rechts fortschreitend dargestellt. Die Messungen der korrespondierenden Prämolaren sind farblich identisch dargestellt. Es wurde jeweils zuerst der Zylinder des nicht sandgestrahlten Prüfkörpers abgeschert, anschließend der Zylinder des sandgestrahlten Prüfkörpers. Bei allen 13 Zahnpaaren ist zu erkennen, dass die farbgleiche Abscherkurve der sandgestrahlten Probe (rechts) den höheren Ausschlag hat. In jedem Fall war also eine höhere Kraft notwendig, um den Zylinder auf dem sandgestrahlten Zahn des Zahnpaares abzuscheren.

Die Ergebnisse von Gruppe A (nicht sandgestrahlt) sind in Tabelle 1 gelistet. Der Mittelwert der Abscherkraft beträgt 104,8 N. Die Standardabweichung liegt bei 24,7 N. Der gemessene Maximalwert beträgt 135,3 N, wohingegen der Minimalwert bei 53,9 N liegt. Die durchschnittliche Verbundfestigkeit in dieser Versuchsgruppe beträgt 24,6 N/mm².

Tabelle 2 listet die Resultate bezüglich Gruppe B (sandgestrahlt) auf. Der Mittelwert für die zu applizierende Abscherkraft liegt bei 139 N. Dabei beträgt die Standardabweichung 24,3 N. Der Maximalwert beträgt 178,7 N. Der Minimalwert liegt bei 104,4 N. Die Proben dieser Versuchsgruppe weisen eine durchschnittliche Verbundfestigkeit von 32,6 N/mm² auf.

Der Vergleich der Verbundfestigkeiten zwischen den beiden Versuchsgruppen wurde anhand des paarweisen Zweistichproben-t-Tests durchgeführt. Die Prüfung, ob beide Stichproben mit einem Stichprobenumfang von jeweils 13 einer normalverteilten Grundgesamtheit entstammen, erfolgte mithilfe des Kolmogorow-Smirnow-Tests. Für beide Stichproben konnte die Normalverteilung nicht widerlegt werden (pKS-Test, nicht sandgestrahlt = 0,7981 und pKS-Test, sandgestrahlt = 0,9371). Statistisch zeigt sich ein höchst signifikanter Mittelwertsunterschied zwischen beiden Versuchsgruppen (p = 0,00034, zweiseitig). Die mittlere Differenz beider Gruppen beträgt hierbei 8 N/mm2 bei einer Standardabweichung von 5,8 N/mm2.

Diskussion

Insgesamt ist ein direkter Vergleich mit den in der Fachliteratur genannten Haftwerten erschwert, da kein standardisiertes Protokoll für die Durchführung von Scherversuchen existiert (Cal-Neto et al., 20116). Besonders deutlich wird diese Diskrepanz in einem im Jahre 2017 veröffentlichten systematischen Review, welches abschließend keine signifikante Steigerung der Verbundfestigkeit zwischen Schmelzoberfläche und Klebekunststoff durch vorheriges Sandstrahlen feststellt (Baumgartner et al., 20177).

Jedoch bleiben bei der genaueren Betrachtung der für das systematische Review herangezogenen Studien die gewählte Methodik und damit die dargestellten Resultate fragwürdig. So schlussfolgerten Türköz und Ulusoy, 20128, dass keine Steigerung der Verbundfestigkeit zwischen Zahnoberfläche und Haftvermittler durch vorheriges Abstrahlen mit Aluminiumoxid zu erreichen sei, zeigten aber gleichzeitig in ihrer Untersuchung elektronenmikroskopische Aufnahmen der untersuchten Zahnoberflächen, die vollständig mit Haftvermittler bedeckt waren. Dementsprechend muss von einer Fehlinterpretation der Ergebnisse ausgegangen werden, da nicht die Verbundfestigkeit zwischen Zahnoberfläche und Haftvermittler, sondern von Haftvermittler und gefülltem Kunststoff eruiert wurden.

Weiter werden in dem systematischen Review Untersuchungen herangezogen, deren Ergebnisse ohne anschließende Konditionierung mittels Phosphorsäure ermittelt wurden (Sargison et al., 19919; Olsen et al., 199710; Chung et al., 20012; Berk et al., 20083; Elnafar et al., 20144). Dass die Schmelzkonditionierung als Conditio sine qua non einen wichtigen Schritt in der adhäsiven Befestigung der Brackets darstellt, ist jedoch bereits seit Mitte des letzten Jahrhunderts bekannt (Buonocore, 195511; Bowen, 196212).

Eine andere, in dem systematischen Review ausgewertete Studie wiederum verwendete anstelle von Phosphorsäure sogenannte „Self-etching Primer“ (Halpern et al., 200913). Das einzeitige Konditionieren der Schmelzoberfläche durch sogenannte „Self-etching Primer“ zeigt sich jedoch klinisch dem zweizeitigen Verfahren unterlegen (Patil et al., 201314). Weiter unterscheiden sich die veröffentlichten Versuchsaufbauten in den verwendeten Probekörpern. Reisner et al., 199715 wählten beispielsweise konventionelle Bukkalbrackets mit all den systemimmanenten Defiziten, wie die unkalkulierbare Wahrscheinlichkeit für einen Klebeverlust am Bracket-Adhäsiv-Verbund.

Darüber hinaus benutzten sie in ihren Untersuchungen Natriumbicarbonat zum Sandstrahlen. Dieses Salz hat sich in der Zahnheilkunde als minimalinvasive Therapiemethode zur Entfernung von Biofilm, Verfärbungen und jungem Zahnstein etabliert. Eine oberflächenvergrößernde Eigenschaft wie bei Verwendung von Aluminiumoxid wird Natriumbicarbonat jedoch nicht zugeschrieben (Camboni und Donnet, 201616). Eine weitere, in dem systematischen Review herangezogene Studie, die sich ausschließlich mit der Verbundfestigkeit zwischen Schmelz und Haftvermittler beschäftigte, wurde von Brown und Barkmeier17 im Jahr 1996 veröffentlicht. Als Prüfkörper kamen in dieser Untersuchung Kunststoffzylinder zum Einsatz, welche jedoch entgegen der in der hier vorliegenden Arbeit verwendeten, aus niedrigviskösem Komposit mit reduziertem Füllpartikelanteil bestanden.

Dies kann als Erklärung für die insgesamt relativ geringen Haftwerte in der Studie dienen. Roblez-Ruis et al., 201418 konnten ebenfalls keine erhöhte Verbundfestigkeit feststellen. Auch hier lassen sich Defizite im Versuchsaufbau erkennen. Zunächst wurde die individuelle Bracketbasis im rechten Winkel bestrahlt, was zu einem erhöhten Abtrag der Kunststoffbeschichtung führte. Als Haftvermittler wurde „Sondhi Rapid Set“ (3M Unitek, Monrovia, CA, USA) verwendet. Hierbei handelt es sich um einen Zwei-Komponenten-Kunststoff, welcher unter Kontakt chemisch polymerisiert. Part A wird laut Herstellerangaben auf die Zahnoberfläche, Part B auf die Bracketbasis aufgetragen. Durch den akzidentiellen Abtrag der individuellen Kunststoffbasis ist der Spalt in unbekannter Dimension derart vergrößert, dass von keiner homogenen Aktivierung der beiden Komponenten ausgegangen werden darf. Infolgedessen ist die Polymerisationsrate möglicherweise stark herabgesetzt. Wie geduldig Papier ist, zeigt sich dann letztlich in der von Baumgartner et al., 20177 durchgeführten Metaanalyse aus zwei (!) inkludierten Studien mit durchaus unterschiedlichem Versuchsaufbau.

Eine weitere im Jahr 2018 veröffentlichte Studie stellt ebenfalls den klinischen Nutzen des intraoralen Präkonditionierens mittels Aluminiumoxids infrage (Daratsianos et al., 201819). Auch hier ist der Modus Operandi konträr zu dem eigentlichen Ziel der Untersuchung gewählt worden. Als Prüfkörper kamen in dieser Untersuchung konventionelle Bukkalbrackets zum Einsatz, was durch die Addition der Grenzflächen Bracket/Adhäsiv sowie Adhäsiv/Haftvermittler erneut eine singuläre Betrachtung von superfizieller Schmelzfläche und Haftvermittler unmöglich macht. Zudem wurde der in dieser Untersuchung als Haftvermittler verwendete Primer nicht, wie in der modernen Zahnheilkunde üblich, dünn verblasen. Unterbleibt dieser essenzielle Schritt bei der Bracketfixierung jedoch, ist von einer vergrößerten Schicht des ungefüllten Haftvermittlers auszugehen.

Dementsprechend sind die gemessenen Verbundfestigkeiten deutlich geringer als in der vorliegenden Untersuchung. Offenbar ist es schwierig, bei insgesamt niedrigen Verbundfestigkeiten den positiven Effekt des Sandstrahlens nachzuweisen.

Besonders bemerkenswert erscheint abschließend die Tatsache, dass die in der vorliegenden Untersuchung gemessenen Verbundfestigkeiten identisch sind mit denen aus früheren Untersuchungen des Letztautors (Wiechmann, 20005).

Schlussfolgerung

Die Ergebnisse dieser Versuchsreihen verdeutlichen abermals, dass die Verbundfestigkeit zwischen Zahnschmelz und Klebe-Kunststoff durch die Präkonditionierung mittels Sandstrahlen gegenüber der konventionellen Präparation der Zahnoberfläche mittels Polierpaste um mehr als 32 Prozent erhöht werden kann.

Die vollständige Literaturliste gibt es hier.

Dieser Beitrag ist in KN Kieferorthopädie Nachrichten erschienen.

Foto: Dr. Susanna Isabel Richter und Prof. Dr. Dr. h.c. Dirk Wiechmann

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