Optimierung von Schallzahnbürsten zur Reduzierung des oralen Biofilms durch Scherkräfte (STOP Biofilm)

High- Speed Aufnahmen der untersuchten Bürstenköpfe

Ausgangslage

Schallzahnbürsten ermöglichen gute mechanische und durch Scherkräfte induzierte hydrodynamische Reinigung der Zahnzwischenräume mittels Schubspannung.

Im Innovationsprojekt, unterstützt von Innosuisse, wurde die hydrodynamische Reinigungswirkung der Schallzahnbürste der Firma Curaden in einem Zahnspalt untersucht. Dabei wurde die Schwingung der Borsten, die induzierte Strömung und die dadurch entstandenen Schubspannungen, welche zur Entfernung des Biofilms auf dem Zahn führen, untersucht. An der FHNW wurden zu diesem Forschungsthema zwei Prüfstände aufgebaut und diverse Simulationen durchgeführt.

Ziele

Das Ziel dieses Projektes ist es einen Schallzahnbürstenkopf zu konzipieren und weiterzuentwickeln, um die Reinigungswirkung in Zahnzwischenräumen zu maximieren. Dafür soll die Schubspannung bei der Reinigung im Zahnspalt optimiert werden.

Ergebnisse

Darstellung des Rechengebiets mit variierenden Parametern (Zahnspaltbreite, Frequenz und E-Modul der Borsten).

In einer umfangreichen Parameterstudie mit Hilfe von mechanischen FEM und Fluid-Struktur-Interaktions-Simulationen wurde die Schwingung des Bürstenkopfs und dessen hydrodynamischer Effekt auf die interdentale Zahnreinigung untersucht. Die simulativen Untersuchungen wurden zudem erweitert mit High-Speed Aufnahmen verschiedener Bürstenköpfe, um die Schwingung der Borsten zu visualisieren. Dabei konnte der Einfluss der Anregung der Schwingung auf die Zahnspaltströmung und letztlich der Wirkung der Zahnreinigung gewonnen werden, die in mehreren realisierten Prototypen verschiedener Bürstenköpfe resultierten.

Mittels eines entwickelten Prüfstandes mit Strömungsmesstechnik (Hot-Wire-Sonden) konnten die verschiedenen Bürstenköpfe hinsichtlich deren induzierten Spaltströmung untersucht werden. Weiter wurden die verschiedenen Bürstenköpfe mit unseren Forschungspartner am Zentrum für Zahnmedizin der Universität Zürich (UZH) hinsichtlich des Biofilmabtrags im Zahnspalt (interdental) untersucht und validiert.

Abschliessend konnten im Rahmen des Projektes Bürstenköpfe entwickelt werden, die verbesserte hydrodynamische Reinigungseffekte im Zahnspalt aufweisen, welche von der FHNW und der UZH experimentell nachgewiesen werden konnten.