Sind Diamant-Zahnpasten die Zukunft?

Seniorenpaar beim Zähneputzen vor einem Spiegel
18. Mai 2017
Sind Diamant-Zahnpasten die Zukunft?
Niedriger RDA-Wert: Schonendere Zahnreinigung durch Zahnpasten mit Diamantpulver als Abrasivstoff

Heute erhältliche Zahnpasten bewirken, hochgerechnet auf eine lebenslange Anwendung, eine mehr oder weniger starke Schädigung frei liegender Zahnhälse durch übermäßigen Abrieb. Schuld sind die üblicherweise verwendeten Abrasivstoffe (Putzkörper), welche zwar den Zahnschmelz nicht angreifen, die weicheren Zahnhälse aber umso mehr.

Diesem Problem wird nur wenig Beachtung geschenkt, auch im Hinblick darauf, dass die Menschen immer älter werden. Fakt ist, dass die in aktuellen Zahnpasten verwendeten Abrasivstoffe in letzter Zeit eher noch aggressiver geworden sind, was in einer neueren Studie nachgewiesen wurde [1].

Grund genug, eine Zahnpasta zu entwickeln, die bei niedrigen RDA-Werten eine höchstmögliche Reinigung, Glättung und Politur der Zahnoberflächen bewirkt und dabei Plaque-Ansätze entfernt. Das dafür gewählte Diamantpulver ist viel feiner und etwa hundert Mal weniger konzentriert als die in konventionellen Zahnpasten verwendeten Abrasive. Deshalb wirkt es viel schonender [2].

Außerdem sollte die Galenik der Zahnpasten unverändert beibehalten und nur das Abrasiv ausgetauscht werden. Da sich Diamantpulver als Material absolut bio-inert verhält, werden die in vielen Jahren wissenschaftlich erwiesenen Erfolge von zum Beispiel Fluoriden, antimikrobiellen Substanzen, anionischen Tensiden etc. nicht tangiert.

Diamant statt Silica

Diamant ist das härteste Material, das wir kennen. Schon lange wird in der Industrie feines Diamantpulver in Fertigungsprozessen für die Politur verwendet. Zum Beispiel in der Optik oder für das Polieren von Schmucksteinen, Saphir-Uhrgläsern oder elektronischen Komponenten. Diamantpulver für Zahnpasten kann in der Korngröße so eingestellt werden, dass es kaum mehr abrasiv ist, sondern sanft polierend und doch gut reinigend.

Feinstes Diamantpulver anstelle von Silica und Karbonaten in Zahnpasten schont die Zahnsubstanz. Eine Anzahl von Produkten der Firma AMC Abrasives Marketing & Consulting LLP (London), welche Diamantpulver als einziges Abrasiv enthalten, wurde in spezialisierten Laboratorien und Universitätsinstituten untersucht und ihre Wirkungsweise gemessen. Nachstehend REM-Aufnahmen verschiedener Abrasive in gleicher Vergrößerung (Abb. 1 bis 3).

Abb. 1: Konventionelles Abrasiv (Silica) unter dem Elektronenmikroskop. Die Korngröße streut von 1 bis 100 μm.

Abb. 2: Diamantpulver der Korngröße 3 μm bei gleicher Vergrößerung, mit sehr geringer Korngrößenstreuung

Abb. 3: Gleiche Vergrößerung eines diamantbeschichteten Bohrers (rot), wie er zur Bearbeitung von Zahnsubstanz verwendet wird. (Aufnahmen: AMC)

Material, Korngröße, und Konzentration

Abrasion wird vor allem beeinflusst von Material, Korngröße, und Konzentration des Abrasivs. Mit Diamant kann man sägen und schleifen, aber auch polieren, und zwar so fein, dass kaum mehr von Substanz-Verlust gesprochen werden kann. Die Abrasion kann also auf fast null reduziert werden. Die Frage, ob Diamantpulver einer bestimmten Korngröße zur Politur von Zahnhartsubstanz geeignet ist, kann nach den heute vorliegenden Untersuchungen positiv beantwortet werden [1, 2].

Umfangreiche Untersuchungen

In einer Studie der Universität Zürich [2] wurde unter anderem das Anrauungspotenzial einer Zahnpaste mit Diamantpulver der Korngröße 1 Mikron (AMC 1.000*2) verglichen mit dem Standardmaterial Sident 9. Das Anrauungspotenzial ist gleich der Differenz zwischen dem Initialwert der Rauigkeit eines bestimmten Abrasivs vor und nach der Behandlung (angegeben in μm).

Testmaterial waren zehn polierte menschliche Zahnwurzeln, welche in einer Bürstmaschine bei einer Hin- und Herbewegung pro Sekunde während 2, 5, 10 respektive 25 Minuten und bei einem Anpressdruck der Zahnbürste von 250 Gramm gebürstet wurden. In der Darstellung (Abb. 4) wird der Unterschied deutlich.

Abb. 4: Anrauung von Dentin durch Diamantpulver der Korngröße 1 μm im Vergleich zu Sident 9 bei unterschiedlicher Anwendungsdauer [2] (T. Imfeld 2009).

Grundanforderung an eine Zahnpasta ist, dass sie neben der Karies- und Parodontitis-Prophylaxe eine gründliche und schonende Reinigung ermöglicht. So soll trotz hoher Reinigungswirkung die Abrasion und Anrauung des Zahnschmelzes und -dentins minimal sein [3]. Diese Gratwanderung zwischen Reinigungskraft und Abrasion/Anrauung hängt von der Wahl der Abrasive ab.

Abrasion und RDA-Wert

Die Abrasivität wird bei Zahnpasten mit dem RDA-Wert (Relative Dentin Abrasion) ausgedrückt [4]. Je höher der RDA-Wert ist, umso abtragender und schädlicher ist das Produkt für die Zähne. Der RDA hängt ab von Material, Korngröße, Oberfläche und Konzentration des Abrasivs.

Sensible Zähne und Zahnhälse erfordern eine Paste mit geringen RDA-Werten. Die Entfernung von Raucherbelägen war bisher nur mit Pasten mit hohen RDA-Werten möglich. So ist eine Vielzahl unterschiedlicher Pasten auf dem Markt, die sich nicht nur in den Ingredienzen unterscheiden, sondern auch in den RDA-Werten von 30 bis gegen 200, wobei Werte über 80 viel zu aggressiv sind für die tägliche Anwendung [5]. Seit vielen Jahren beschäftigt sich das Labor der Universität Indiana und im speziellen die Gruppe um Schemehorn [4] mit derartigen Untersuchungen.

Dieses Labor untersuchte den Dentin-Abrieb (RDA), den Abrieb am Schmelz (REA) und den Reinigungsgrad (PCR) einiger Pasten der Firma AMC mit unterschiedlichen Korngrößen im Vergleich zu einer Whitening-Zahnpaste und der Standard-Zahnpaste der American Dental Association (ADA).

Die Reinigungsleistung einer Paste wird durch den PCR-Wert ausgedrückt. Dieser beschreibt, inwieweit eine Paste das Zahnoberhäutchen (Pellicle) beziehungsweise gefärbte Auflagerungen entfernt. Bei PCR-Messung werden Zahnschmelzplättchen aus Rinderzähnen mit einer Lösung aus Tee, Kaffee und anderen Substanzen verfärbt. Diese Verfärbung wird colorimetrisch gemessen. Nach Simulation der Reinigung mit einer Zahnpasta-Suspension wird die Aufhellung der Schmelzproben erneut colorimetrisch bestimmt [6]. Tabelle 1 zeigt die RDA- und REA-Werte sowie die Reinigungskraft PCR verschiedener Zahnpasten.

Tab. 1: Testresultate von fünf AMC-Diamantzahnpasten mit Korngrößen von 2,8 μm, 3,5 μm und 4,4 μm, gegenüber einer „Whitening“-ZP und der ADA-Standard-Zahnpaste [6]
(Uni Zürich, T. Attin)

Im Verlauf der durchgeführten Abrasions-Untersuchungen mit Diamant-Zahnpasten ist aufgefallen, dass die von den einschlägigen Instituten verwendete Methode nach Hefferren [7] keine konsistenten Resultate lieferte. Die auf einem Vergleich gegenüber einem ADA-Referenz-Abrasiv basierende Methode ist für den erheblich feineren Diamant in einer sehr geringen Konzentration offenbar nicht direkt anwendbar.

Hinweis 1: Die Proben 1, 3 und 5 in Tabelle 1 zeigen bei zunehmender Korngröße und gleichbleibender Konzentration steigende RDA-Werte, hingegen sinkende REA-Werte. Abbildung 5 zeigt jedoch bei zunehmender Korngröße für RDA und REA steigende Werte. Diese Messungen basieren auf Absolutmessung mittels Profilometrie [8], und scheinen daher zuverlässiger.

Hinweis 2: Bei den Proben 2, 3 und 4 ist die Korngröße konstant, aber die Konzentration ansteigend. Auch hier zeigen sich mit zunehmender Konzentration steigende RDA-Werte und sinkende REA-Werte. Ein Vergleich mit Absolut-Messungen [9] zeigt auch hier für RDA und REA steigende Werte bei zunehmender Konzentration.

Profilometrische Abtragsmessungen

Aus diesem Grunde wurden Untersuchungen mittels Profilometrie [8], welche absolute Messwerte in Mikrometern (μm) ergeben, durchgeführt. Diese Methode war erheblich besser geeignet, zuverlässige Resultate zur Abrasion zu generieren. So wurde an der Universität Zürich der absolute Abtrag von drei Diamantzahnpasten auf dem Schmelz resp. Dentin von Rinderzähnen im Vergleich zu einer handelsüblichen Kontrollpaste untersucht. Tabelle 2 zeigt den Abrieb in Mikrometern.

Tab. 2: Mittelwerte (MW), Standardabweichungen (SD) und Variationskoeffizienten (VK%) des absoluten Abtrags [μm] in den verschiedenen experimentellen Gruppen (n=12). Aufgeführt ist der jeweilige Abtrag [μm] im Vergleich zur Basismessung nach angegebener Anzahl Bürststrichen (BS). N = Anzahl messbarer Proben, die in die Auswertung eingingen.
(Indiana University, B. Schemehorn, 2012)

Zusammenstellung der Ergebnisse

Auf dem Dentin wurden 7.200 Bürststriche, entsprechend etwa einem Jahr Zähneputzen, auf dem Schmelz 43.200 Bürststriche bei 200 Gramm Anpresslast der Bürste ausgeführt. Der gemessene Abtrag wurde dann auf 70 Jahre Anwendung hochgerechnet und ist in Abb. 5 dargestellt. Aus den Messwerten geht hervor, dass bei allen Diamant-Korngrößen der Abrieb auf Dentin stark reduziert wird, während auf Schmelz eine vergleichsweise geringe Zunahme resultiert. Dies im Vergleich zu einer der meistverkauften Zahnpasten im Markt.

Abb. 5: Die Abbildung zeigt den Abrieb in μm von drei AMC-Diamant-zahnpasten mit Korngrößen von 1,5 μm, 2,5 μm und 4 μm sowie einer der meistverkauften Zahnpasten, hochgerechnet auf 70 Jahre [8].
(Uni Zürich, T. Attin, 2014).

Abbildung 5 zeigt für 4-μm-Diamant einen Schmelzabrieb von ca. 29 μm, hochgerechnet auf 70 Jahre Anwendung. Der Dentin-Abrieb hingegen wird um 70 Prozent vermindert, nämlich um 500 μm in 70 Jahren. Das entspricht einem halben Millimeter Abrieb pro Zahn. Für 2,5-μm-Diamant beträgt der Schmelzabrieb ca. 16 μm, der Dentin-Abrieb wird um 555 μm reduziert. Für 1,5-μm-Diamant beträgt der Schmelzabrieb noch ca. 7 μm, der Dentin-Abrieb wird aber um 670 μm reduziert, alles bezogen auf 70 Jahre Anwendung.

Die Abriebwerte von Dentin und Schmelz aus Abb. 5 sind in Abb. 6 nochmals in anderer Form dargestellt für eine 4-μm-Diamantzahnpaste und eine Zahnpaste mit konventionellen Abrasivstoffen.

Problem keilförmige Defekte

Zum Thema Keildefekte und Rezessionen ist sich die Wissenschaft nur insofern einig, dass multifaktorielle Gründe vorhanden sind [10, 11]. Einigkeit besteht lediglich darin, dass die Häufigkeit der Zahnreinigung, die Dauer und die Technik der Reinigung, das Wechseln der Zahnbürste und vor allem die angewandte Kraft bei der Reinigung eine Rolle spielen. In einer Studie von Lussi et al. [12] wird auf den Zusammenhang zwischen Keilförmigen Defekten und Hypersensibilität hingewiesen. Durchschnittlich 34,8 Prozent aller Probanden litten an Zahnüberempfindlichkeit, während bei den Probanden mit Keilförmigen Defekten dieser Anteil auf 84,6 Prozent stieg. Keilförmige Defekte an den Zahnhälsen, verursacht durch Verwendung konventioneller abrasiver Pasten und Handzahnbürsten, auch in Kombination mit einer falschen Putztechnik (Schrubben), werden mit dem neuen Abrasivstoff signifikant reduziert (Abb. 6).

Abb. 6: Dentin- und Schmelzabrieb in μm über die Anwendungsdauer in Jahren von Diamant- und Silica-Zahnpasten [8]. Interpretation und Extrapolation der Daten von Attin [8], siehe Abb. 5.

Fazit: Diamant-Zahnpasten bewirken eine bessere und zahnsubstanz-schonendere Reinigung als herkömmliche Zahnpasten. Diamant als Abrasivstoff ist biologisch und toxikologisch unbedenklich [13, 14]. Die Reduktion der Zahnrauheit von rund Ra = 1 μm auf ca. 0,05 μm bewirkt, dass die Zähne selbst dann glänzen, wenn sie trocken sind. Und die Politur bewirkt eine Reduktion der Oberfläche.

Der Dentin-Abrieb wird im Vergleich zu einer der meistverkauften Zahnpasten um drei Viertel reduziert, keilförmige Defekte werden so selbst bei „Schrubbern“ in Zukunft reduziert. Der Zahnstein wird schon in seiner Entstehung durch den harten Diamant in der Paste entfernt.

Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass die Diamantzahnpaste nicht nur gut akzeptiert wurde, sondern dass diese ein langanhaltendes Gefühl von Glätte und Frische erzeugte, die Zähne gründlich reinigte und diese Weiß erscheinen ließ. Die Sensibilität nahm eher ab, wie dies in verschiedenen klinischen Untersuchungen festgestellt wurde. Vermutet wird ein Verschluss der Dentintubuli durch das Diamantpulver [15]. Diese Arbeiten werden in einem separaten Artikel veröffentlicht werden.

Dr. Hans Gaiser, Konstanz, Dipl.-Ing. Kurt Spring, Ermatingen/Schweiz, Prof. Dr. Ulrich Peter Saxer, Zürich/Schweiz


Literatur

[1] Tawakoli P. Mechanical effects of different Swiss market-leading dentifrices on dentin. SSO Vol 125, 11:2015

[2] Imfeld T. Vergleichende Untersuchungen der relativen Dentin-Abrasion (RDA), der erzeugten Oberflächenrauigkeit (Ra) und der Reinigungswirkung (Re) von zwei Zahnpasten der Firma AMC, London, GB, 25. Mai, 2009; Data on file bei K. Spring.

[3] Lippert F. An introduction to toothpastes- its purpose, history and ingredients, Monogr Oral Sci. 2013;23: 1-14. doi: 10.1159/000350698. Epub 2013 Jun 28. Review.

[4] a) Schemehorn BR. RDA Test on Dentifrices, study number 12-119, 22.2. 2012;

[4] b) Schemehorn BR. REA Test on Dentifrices, study number 12-120, 29.2. 2012;

[4] c) Schemehorn BR. Modified stained pellicle removal, study number 12-121, 17.3. 2012; Dental Product Testing Therametric Technolgies, Inc. 9880 Douglas Floyd Parkway, Noblesville, Indiana 460’60- on file, K. Spring.

[5] Imfeld T, Sener B, Lutz F: Mechanische Wirkung von in der Schweiz marktführenden Zahnpasten auf Dentin. Untersuchung des Reinigungs-, Abrasions- und Anrauungspotentials. Acta Med Dent Helv 3: 54–59 (1998)

[6] Stookey GK, Burkhard TA, Schemehorn BR. In vitro removal of stain with dentifrices. J Dent Res. 1982 Nov;61(11):1236-9.

[7] Hefferren JJ, Schemehorn B, Storeck A, Lerch M, Li N. Silica as a reference for laboratory dentifrice assessment methods: multiple site collaborative study. J Clin Dent. 2007;18(1):12-6

[8] Attin T. Becker K. Abrasionsvemögen an Schmelz und Dentin von Diamantzahnpasten AMC, interner Bericht für Fa. Microdiamant, K. Spring, Lengwil, Schweiz, 14. 3. 2014

[9] Lussi A. Beyeler B. Evaluation der Wirkungsweise von AMC Zahnpasten, – Datum: 27. 5. 2009 interne Messungen für AMC- Titel bei K. Spring.

[10] Ganss C, Lussi A, Scharmann I, Weigelt T, Hardt M, Klimek J, Schlueter N. Comparison of calcium analysis, longitudinal microradiography and profilometry for the quantitative assessment of erosion in dentine. Caries Res. 2009;43(6):422-9.

[11] Joiner A. Whitening toothpastes: a review of the literature. J Dent 2010;38S:e 17-24.

[12] Lussi AR, Schaffner M, Hotz P, Suter P. Epidemiology and risk factors of wedge-shaped defects in a Swiss population. Schweiz Monatsschr Zahnmed. 1993;103(3):276-80.

[13] Robert A. Freitas Jr. Nanomedicine: Is Diamond Biocompatible with Living Cells? IMM Report Number 12, Nanomedicine. 1: Okt 1999, Seitenzahl 1-6, Article on file bei K. Spring

[14] Schrand AM. Huang H. Carlson C. Schlager JJ. Osawa E. Hussain SH. Dai L. Are Diamond Nanoparticles Cytotoxic? J. Phys. Chem. B, Vol. 111, No. 1,1-7, 2007

[15] Saxer UP. Clar V. Trutmann C. Reinigungs-, Glanzleistung und Zahnsteinbildung unter dem Einfluss einer minimal abrasiven Zahnpaste, intramuraler Bericht für Mibelle, Buchs AG 11.1.2013.