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Einfluss von Putzen auf die Rauheit von ZähnenJugend Forscht 2009Michael Schramm und David Bohrmannphaenovum Lörrach0

Inhaltsangabe1. KurzfassungS.12. EinleitungS.23. Das RasterkraftmikroskopS.24. Die „Zahnputzmaschine“S.45. Zahnmaterial für unsere UntersuchungS.55.1 Unsere ZähneS.55.2 Versuche mit dem LichtmikroskopS.66. ZahnanatomieS.67. Aufnahmen mit dem AFM von Zahn1S.78. Aufnahmen mit dem AFM von Zahn2S.89. RauheitsmessungenS.1010. Auswertung der MessungenS.1111. InterpretationS.1212. Ausblick/Pläne für die ZukunftS.1313. DanksagungenS.1414. QuellenS.141.KurzfassungAls erstes machten wir uns mit dem sensiblen Rasterkraftmikroskop vertraut, indem wir Messungen von vorgelieferten Proben gemacht haben, bei denen wir unser Ergebnis mit Bildern ausder Literatur vergleichen konnten und damit die Sicherheit bekamen, dass unsere Untersuchungen richtige Werte liefern. Wir entschieden uns dafür das Abriebverhalten an herausoperierten Weisheitszähnen zu untersuchen. Diese haben den Vorteil, dass sie bisher noch nie geputzt wurden. Wir konstruierten eine Putzmaschine, mit der wir versuchten unter gleichen Bedingungen verschiedene Zähne mit verschiedenen Zahnpasten zu putzen. Die Auswertung derRauheit der Oberfläche konnte mit einem Standardprogramm des AFM durchgeführt werden.Trotz vieler Vorbehalte kann man dabei die Auswirkung von verschiedenen Zahnpasten auf dieRauheit der Zähne vermuten.1

2.EinleitungDurch Presseberichte wurden wir auf das Thema aufmerksam, dass durch intensives Zähneputzen mit sogenannten „Weißmacher“-Zahnpasten der Zahnschmelz geschädigt werdenkann.In unserem Schülerforschungszentrum Lörrach-Dreiländereck phaenovum haben wir dieMöglichkeit mit einem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope AFM) der Firma nanosurf Untersuchungen von Oberflächen im Mikrometerbereich durchzuführen. (Das AFMwurde im Rahmen eines NaT-Working Projekts gestiftet.) Da man mit einem solchen Mikroskop auch nichtleitende Oberflächen abbilden kann, entschlossen wir uns dieses interessanteThema (wir wollen beide Zahnmedizin studieren) anzugehen.3.Das RasterkraftmikroskopGerd Binnig entwickelte 1986 zusammen mit anderen Forschern das Rasterkraftmikroskop(AFM, Atomic Force Microscop), mit dem man auch nichtleitende Oberflächen untersuchenkann. An einem kleinen Cantilever ( B1) aus Silizium befindet sich eine feine Spitze.Der ganze Cantilever hat nur eine Länge von 0,23 mm und ist sehr empfindlich. Mithilfe vonPiezoelementen rastert die Spitze die Oberfläche ab.In diesem Kontaktmodus folgt die Spitze dem Höhenprofil. Dadurch wird ein Laserstrahl abgelenktB1 Cantileverund die winzige Auslenkung detektiert( B2a B2b).B2a schematische ApparaturCantilever auf ErhöhungB2b schematische ApparaturCantilever auf EbeneAus der Auslenkung des Laserstrahls werden die Höhenprofile konstruiert ( B3). Da bei diesen Vorgängen kein Tunnelstrom fließt, können mit dem Kraftmikroskop auch isolierende2

Oberflächen untersucht werden. Mit dem AFM können Oberflächen wie Brillengläser oderbiologische Proben im Wasser mikmiroskopiert werden. Es hat AnwenAnwedungen in der Biologie, der BiocheBiochmie und der Medizin, also den BeBreichen, in denen meist unter physiologischen Bedingungen gearbeigearbetet wird.B3 Prinzip des Rasterkraft-MikroskopsMikroskopsFür eine CD oder eine DVD kann mitdem AFM z.B. der Abstand der Rillen, bestimmt werden. Ein Stamper ist die Vorlage zur VervielVerviefältigung von CDs/DVDs in einem Presswerk. Zur QualitätskontrolleQual tätskontrolle werden AFMs von der InIdustrie bei der Herstellung von solchen CD-StampersCDverwendet. Bild 4 zeigt einen CD-Stamper.CDBild 5 zeigt einen Spinnenfaden (eigene Aufnahmen).B4 CD-Stamper Deflection-AnsichtAnsichtB5 Spinnenfaden Deflectionection-AnsichtDie erste große Schwierigkeit, die wir hatten war, mit diesem sensiblen Messinstrument, das imMikrometer-BereichBereich misst, vertraut zu werden. Dazu dienten zunächst Aufnahmen, die wir vonCD-Oberflächen, Staphylokokken,taphylokokken, RAM-ChipsRAM Chips und Spinnenfäden machten. Bei CD-Oberflächen,CDStaphylokokken und RAM-ChipsChips sind Musterbilder aus Büchern und dem Internet bekannt. Wirnehmen an, dass wenn wir für diese Proben gute Bilder erhalten haben, dies dann auch für unusere Zähne gelten wird. Wir sind daher zuversichtlich, dass die Bilder unserer Zähne korrektsind.3

Wir machten uns außerdem mit den verschiedenenDarstellungsmöglichkeiten für eine Messung vertraut. Die 3d-Ansicht ( B6) gibt einen räumlichenEindruck der Oberfläche wieder.B6 3d-Ansicht Mikrostruktur4.Die „Zahnputzmaschine“Zum Zweck des gleichmäßigen Putzens und dem Putzen über eine längere Zeitspanne als derAkku einer elektrischen Zahnbürste es erlaubt, haben wir uns entschlossen eine „Zahnputzmaschine“ zu bauen ( B7a,7b).B7a,7b unsere ZahnputzmaschineDafür haben wir eine elektrische Zahnbürste aufgesägt und an ein Netzgerät angeschlossen. DieZahnbürste haben wir mithilfe von Nägeln und Klebeband auf einem Holzbrett fixiert. Der zuPutzen gewünschte Zahn konnte so problemlos unter den Kopf der Zahnbürste gelegt werden.Das Netzgerät haben wir mit ca. 1,2 Volt betrieben, was dem Standardwert einer elektrischenZahnbürste entspricht. Wir versuchten den Anpressdruck immer konstant zu halten. Mit einerWaage bestimmten wir die Kraft mit der die Zahnbürste auf die Unterlage drückt. Sie betrug0.8N(80g). Dies kann etwas höher sein als der normale Druck, der beim Zähneputzen ausgeübtwird. Die Zahnpasta wurde zu Beginn aufgebracht und nach einigen Minuten wurde von derSeite her Zahnpasta erneut zugeführt, damit immer eine gleichmäßige Schaumbildung auftritt.Bei unseren Untersuchungen haben wir versucht Zahnbürsten zu finden, die nur eine Hin- undHerbewegung ausführen. Leider gibt es diese Geräte nicht mehr zu kaufen, wir mussten also4

entsprechende Modelle aus Privathaushalten suchen. Unsere Vermutung war, dass bei dieserPutzmethode gegenüber den rotierenden Bürsten deutlichere Spuren auf den Zähnen zu findensind. Vom bloßen Augenschein her hat sich aber diese Vermutung nicht bestätigt.Für unsere Versuche verwendeten wir „Elmex sensitive“ und“ blend-a-med complete plus“. Eswäre wünschenswert gewesen, noch weitere Zahnpasten zu testen und damit Zähne zu putzen,wofür die Zeit allerdings bis jetzt noch nicht reichte. Nicht das Putzen ist zeitaufwendig, sondern die Auswertung und Untersuchung der Zähne mit dem Rasterkraftmikroskop.5.Zahnmaterial für unsere Untersuchung5.1Unsere ZähneEs war uns zunächst empfohlen worden, wie es in der Zahnmedizin auch üblich ist, Kälberzähnefür unsere Untersuchung zu verwenden (Mitteilung von Prof. Dr. Hellwig aus Freiburg). Wirüberlegten aber, ob es nicht andere Möglichkeiten gibt, Zähne für unsere Untersuchungen zuerhalten. Durch den Vater eines Schulfreundes (Herrn Dr. Späte) gelangten wir an herausoperierte, ungeputzte Weisheitszähne( B8a,B8b).B8a Zahn2B8b die vier ZähneDies schien uns eine gute Alternative zum Schlachthof zu sein, um realistische Messungendurchzuführen. Wir konnten bei diesen Zähnen auch sicher sein, dass die Struktur der Zähneder von normalen Zähnen entspricht. Von vier Zähnen stellten sich jedoch nur zwei als für unseren Zweck geeignet heraus. Bei den anderen haben wir keine Stellen gefunden, bei denen dieOberfläche selbst bei einem kleinen Gebiet waagrecht genug für eine Messung mit dem AFM5

verläuft. Wir werden versuchen diese Zähne noch in einem Ultraschallbad zu reinigen um evtl.danach bessere Ergebnisse zu erhalten.Der Zeitaufwand für eine Messung mit dem AFM variiert stark. Manchmal versuchten wir eineStunde ohne ein brauchbares Ergebnis zu erhalten, in anderen Fällen gelangen die Messungenin wenigen Minuten.5.2Versuche mit dem LichtmikroskopWir untersuchten die Zähne zunächst auch unter einem normalen Lichtmikroskop ( B9). DieSchwierigkeit dabei war, dass nicht von untenbeleuchtet worden konnte, sondern nur im Auflicht (Aufnahmen mit einem digitalen MikroskopModell DMWB1-223). Die Vergrößerung aufdiesem Bild kann man durch Vergleich mit ei-B9 Zahn unter einem Lichtmikroskopnem Kreuzgitter (hundert Striche pro Zentimeter) bestimmen ( B10). Der Abstand zwischen zwei Strichen beträgt also 0.1mm. Die periodischen Strukturen im oberen Bild haben daher etwa den Abstand 0.1mm.B10 Kreuzgitter, aufgenommenmit derselben Vergrößerung wieder Zahn6.ZahnanatomieDer menschliche Zahn besteht aus Zahnkrone(Coronadentis), Zahnhals(Cervix dentis) und Zahnwurzel(Radixdentis).Er besteht aus mehreren Schichten. Für unsereUntersuchungen interessiert uns nur die Zahnkrone.Die Cuticula dentis ( B11) ist das Schmelzoberhäutchen und ist die Schutzhaut des Zahnschmelzes. Es6B11 Zahnaufbau

schützt vor Bakterien, ist aber sehr dünn und wird durch äußereußere Einflüsse stark abgenutzt. Es isthornähnlich,lich, wird nicht durchblutet und ist dadurchdschmerzunempfindlich.Der Zahnschmelz (Emanelum) ist eine quarzähnliche Substanz. Sie ist die härteste des menschlimenschlchen Körpers und kann nur mit einem Diamantbohrer bearbeitet werden. DerDe Zahnschmelzbesteht zu 95% aus Hydroxylapatit, einem kristallinen Material, dessen Hauptbestandteile CalCacium und Phosphat sind. Wie die Cuticula dentis ist der Zahnschmelz nicht durchblutet und wirddeshalb als leblose bzw. tote Substanz bezeichnet.ufnahmen mit dem AFM von Zahn1-geputztZahn1mit blend-a-medmed complete plus weiss7.AufnahmenAFM-Bilder von Zahn 1 vor dem Putzen,Putzendrei verschiedene Ansichten,,Zahn 1 nach einstündigem PutzenLinks: Topography-AnsichtAnsichtLinks unten: 3d-AnsichtAnsichtRecht unten: Deflection-AnsichtDeflectioninsgesamtein Ausschnitt von 50µm auf 50µm,dieFarben geben die Höhe an.B12: Deflection-Ansicht,Ansicht, dies gibt die AbAleitung des Bildes an. Dadurch treten manmache Strukturen deutlicher heraus.herausB13: Topography-Ansicht,Ansicht, durch die FarFaben wird die Höhe angegeben.B14: 3d-Ansicht,Ansicht, auch hier gibt die Farbeein Maß für die Höhe an.B13B12(oben),B147

Zahn 1 nach einstündigem PutzenB15: Topography-AnsichtAnsichtB16: 3d-AnsichtAnsichtB17: Deflection-AnsichtB17B15,168.AufnahmenAufnahmen mit dem AFM von Zahn2-geputztZahn2mit elmex sensitiveB19B188

Zahn2 vor dem PutzenB18: Deflection-AnsichtAnsichtB19: Topographie-AnsichtAnsichtB20: 3d-AnsichtB20Zahn 2 nach einstündigem PutzenPB21 Topographie-AnsichtB 22 Deflection-AnsichtB 23 3d AnsichtZahn 2 nach einstündigem PutzenB21: Topography-AnsichtB22: Deflection-AnsichtB23: 3d-AnsichtB21(oben),B23B229

9.RauheitsmessungenZur Auswertung der Rauheit der Oberfläche mit dem RasterRastekraftmikroskop: Innerhalb einer Fläche, die von uns so ausgeausgsucht wurde, dass keine Fehler darindenthalten sind, werdenzeilenweiselenweise die Auslenkungen in z-Richtungzvom AFM registriertund auf dem Laptop dargestellt. Als Fehler bezeichnen wir StelStelen, die offensichtlich durch Störungen verursacht wurden. DieseB24 Größe ca. 20µm auf30µmStörungengen können zum Beispiel durch einen Schüler, der durchs Zimmer läuft verursacht werweden. Es kann auch geschehen, dass der Cantilever an einer großen Erhöhung hängen bleibt undanfängt zu schwingen. Dann erscheint im Bild auf einer kleinen Fläche ein regelmäßigesregelmäMuster( B24).Werte in Abhängigkeit von x, y registriert sind, kann man innerhalb dieser Fläche verveDa alle z-Werteschiedene Auswertungen durchführen:1. Innerhalb der Fläche wird der größte (Sp) und der kleinste (Sv) z-WertWert angegeben. Manerhält so eine Information zwischen welchen Werten der z-Wertz Wert schwankt.2. Es kann der Mittelwert über alle Punkte gebildet werden. Dies gibt uns eineInformation, über die durchschnittliche Höhe (Sm).3. Die mittlere Rauheit: Es werden alle Beträge von z addiert und durch die Zahl dervermessenen Punkte dividiert. Dies ist eigentlich die Größe, die uns bei unserenMessungen am meisten interessiert (Sa).4. Es kann noch der Abstand zwischen dem tiefsten Tal und dem höchsten Bergangegeben werden (Sy).Diese Parameter müssen nicht durch besondere Pogrammschritte berechnet werden, sondernwerden mit dem Bild ausgegeben.Dabei muss man beachten, dass je nach Auswahl der Fläche (Größe, Lage der Fläche) ganz verveschiedene Werte möglich sind.Um Aussagen über einen Zahn zu erhalten haben wir den Mittelwert aus mehreren Messungenbei dem gleichen Zahn vor dem Putzen und nach den inin der Tabelle genannten Putzzeiten inMinuten gebildet.10

10.Auswertung der Messungen:Name der Messung Area(in pm2) Sa(in nm) Sq(in nm) Sy(innm) Sp(in nm) Sv(nm) Sm(nm)Zahn1 vor dem Putzen218,301526,801584,20 1916,302246,30330,04 1526,80Versuch 1 1620,45522,30602,74 2615,351370,70 -1244,62 289,21Versuch 1 3305,151146,871240,91 1764,7554,21 -1710,53 901,63Versuch 1 4381,301065,321142,62 2098,801223,74 -875,04 905,88Durchschnitt:Zahn1 nach dem 1.Putzen (insgesamt ca. 30 min)761,901489,101693,57 4862,433437,83 1424,60 1081,55Versuch 1 112496,00739,66927,11 4673,702050,60 -2623,1072,47Versuch 1 121628,951114,381310,34 4768,072744,22 -599,25 577,01Durchschnitt:Zahn1 nach dem 2.Putzen (insgesamt ca. 60 min)2496,001908,102275,70 9721,705501,40 -4220,30 397,89Versuch 1 132496,002078,902413,40 9619,305076,80 -4542,50 424,36Versuch 1 15341,00874,83967,68 2734,232056,10 -678,12 612,94Versuch 1 161777,671620,611885,59 7358,414211,43 -3146,97 478,40Durchschnitt:Zahn1 nach dem 3.Putzen (insgesamt ca.75 min)2496,001667,201998,90 8283,104760,40 -3522,77 722,58Versuch 1 172496,001710,102073,80 8369,305090,80 -3278,50 1021,00Versuch 1 18T1: Messwerte des 1. Zahns (blend-a-med complete plus weiss)Name der Messung Area(in pm2) Sa(in nm) Sq(in nm)Zahn2 vor dem Putzen2496,002073,702464,20Versuch 2 52496,002178,102528,70Versuch 2 72496,001803,002190,60Versuch 2 102496,002018,272394,50Durchschnitt:Zahn2 nach dem 1.Putzen (ca. 30 min)2496,001680,901964,70Versuch 2 152496,001985,802316,80Versuch 2 161619,00929,321164,40Versuch 2 142203,671532,011815,30Durchschnitt:Zahn2 nach dem 2.Putzen (insgesamt ca. 60 min)2496,001969,702394,40Versuch 2 171144,00833,14954,76Versuch 2 191820,001401,421674,58Durchschnitt:T2: Messwerte des 2. Zahns (elmex sensitive)11Sy(innm) Sp(in ,505263,405210,57-1301,20 2012,40-5113,0097,84-5982,8032,62-4132,33 506,60-503,67116,586366,10 -3793,501817,70 -2140,304091,90 m(nm)

Zahn1 und Zahn2 im VergleichRauheit (in 406080Zeit (in min)D1: Die durchschnittliche Rauheit (Sa) der beiden Zähne im Vergleich.Blaue Kurve: Zahn1 (mit blend-a-med geputzt)Rote Kurve: Zahn2 (mit elmex sensitiv geputzt)Da wir die Rauheit der einzelnen Zähne vergleichen wollen, haben wir beschlossen uns vor allem auf die durchschnittliche Rauheit (Sa) zu konzentrieren. In den Tabellen ( T1,T2) kann manaber auch die anderen Messwerte einsehen. Im Diagramm haben wir für die Entwicklung von Safür beide Zähne ein Diagramm gezeichnet ( D1).11.Interpretation:Zu erkennen ist, dass die durchschnittliche Rauheit bei Zahn1, mit „blend-a-med complete plusweiss“ geputzt, mit der Putzdauer tendenziell zunimmt. Dies könnte dadurch zu erklären sein,dass die Zahnpasta den Zahnschmelz „angreift“ und der Zahn dadurch rauer wird. Also dieZahnpaste geht in den Zahnschmelz und löst dort „größere Teilchen“ (alles natürlich im Nanobereich). Dies entspricht auch Erkenntnissen aus einer Veröffentlichung von F.Gonser und anderen1. Darin wurde auch festgestellt, dass beim Putzen mit „blend-a-med complete plus extrafrisch“ Rillen entstehen und die Rauheit wächst. Bei dieser Zahnpasta haben die Maxima undMinima (Sp und Sv) die Tendenz größer zu werden. Dies entspricht auch wieder der vorher gemachten Vermutung, dass die Rauheit steigt.Beim mit „elmex sensitive“ geputzten Zahn dagegen sieht man ein Abnehmen der Rauheit. Diesdeuten wir so, dass diese Zahnpasta schonender den Zahnschmelz und dadurch weniger ablöstund es dadurch sogar zu einem sinkenden Sa-Wert kommt. Bei dieser Zahnpasta haben die Ma-12

xima und Minima (Sp und Sv) die Tendenz kleiner zu werden. Dies entspricht auch wieder dervorher festgestellten Vermutung, dass die Rauheit sinkt.Doch muss man bei der Interpretation zurzeit noch äußerst vorsichtig sein, da es erst für beideZahnpasten eine Messreihe gibt. In Zukunft wollen wir diese Überlegungen durch weitere Messungen überprüfen.In der medizinischen Forschung wird der Abrieb, der durch da Zähneputzen verursacht wird,mit dem sogenannten RDA-Wert (Relative Dentim Abrasion)gekennzeichnet. Dabei wird dieAbrasion durch den Abrieb des radioaktiven P32-Isotops aus Dentim bestimmt.12.Ausblick/Pläne für die ZukunftDie Schwierigkeit bei den Untersuchungen des Zahns nach verschieden Putzzeiten besteht darin, dass es für uns keine sichere Methode gibt, die gleiche Stelle wiederzufinden. Rein äußerlichkann man versuchen den Cantilever an dieselbe Stelle zu positionieren. Da es sich jedoch umFlächen von 0.05mm auf 0.05mm handelt, ist das nach dem äußeren Augenschein praktischunmöglich. Daher kann man keine sicheren Aussagen über die Veränderung des Zahnes aus denBildern machen. Wir planen eine Methode durch Anbringen von Markierungen (mit einem Stiftoder einem scharfen Messer) die gleiche Stelle wiederzufinden. Wir nehmen an, dass statistische Aussagen, wie die Rauheit über einer Fläche sinnvollere Ergebnisse liefern.Auch unser Vorhaben systematisch den Abrieb durch die verschiedenen Zahnpasten zu untersuchen, konnten wir nur teilweise verwirklichen. Es hätten zahlreichere Messreihen unter weiterem großem Zeitaufwand erstellt werden müssen.Wir planen ebenfalls für die Zukunft mit mehreren Zahnputzmaschinen und neuen herausoperierten Weisheitszähnen diese Messreihen zu vervollständigen. Insbesondere muss man vorsichtig sein, wenn man Aussagen darüber macht, dass eine Zahnpasta gegenüber einer andereneinen stärkeren Abrieb hat, da dies auch wirtschaftliche Folgen für den Hersteller haben könnte.13

13.DanksagungenWir danken Herrn Kretschmer und Herrn Klein für Ihre Unterstützung bei Tag und bei Nacht. Siehaben es erst möglich gemacht, dass wir uns so intensiv mit dieser Thematik beschätigen konnten.Außerdem danken wir Herrn Dr. Glatzel von der Universität Basel, der uns viele wertvolle Tippsrund um das AFM gab und uns auf der Suche nach den Fehlern ein gutes Stück vorangebrachthat.Wir danken auch Herrn Dr. Späte, der bereit war uns die herausoperierten Weisheitszähne zurVerfügung zu stellen. Ohne diese Zähne wäre die Arbeit nicht in dieser Form möglich gewesen.Zu guter Letzt danken wir allen, die sich für unsere Arbeit interessiert haben und uns bestärkthaben weiter zu machen.14.Quellen(1) F.Gonser, A.Kiesow, S.Sarembe, M.Petzold:Bewertung durch Zahnbürsterinigung hervorgerufener Oberflächenveränderungen bei Prothesenkunstoffen, Zahnärtztliche Zeitschrift h/abrasionswerte.htm14

Einfluss von Putzen auf die Rauheit von Zähnen Jugend Forscht 2009 Michael Schramm und David Bohrmann phaenovum Lörrach . 1 Inhaltsangabe . nosurf Untersuchungen von Oberflächen im Mikrometerbereich durchzuführen. (Das AFM . n der Tabelle genannten Put