Laborausstattung

Das µCT Skyscan 1174™ (Skyscan, Kontich, Belgien) ist ein kompaktes Tischgerät mit Steuer- und Auswertecomputer. Es kann hochaufgelöst nicht lebende Objekte mit einem Kegelstrahl röntgentechnisch erfassen. Aus diesen Messdaten können anschließend dreidimensionale Rekonstruktionen der gemessenen Objekte erstellt werden. Diese können mit dem Programm DataViewer betrachtet oder mit dem Analyseprogramm CTAnalyser weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Hierfür steht ein separater Computer mit leistungsstarker Graphikkarte zur Verfügung.

Spezifikationen

• Röntgenquelle: 20-50 keV, 40 W Höchstleistung, Filterhalterung zur Energieselektierung (z.B.: 0,5 mm Aluminiumfilter)
• Röntgendetektor: 1,3 MPx CCD, optischer Zoombereich 1:6
• Räumliche Auflösung: 6,8 bis 30 μm isotrope Pixelgröße
• Probengröße: 5 bis 30 mm im Durchmesser, 50 mm in der Höhe (50 mm vertikaler Hub)
• Rekonstruktion: Feldkamp-Algorithmus
• Strahlenschutz: <1 μSv/h an jedem Punkt auf der Geräteoberfläche

Anwendungsgebiete sind Messungen biologischer Hart- und Weichgewebe und von Implantaten mit kleinen Durchmessern. Das Bild rechts zeigt die Rekonstruktion des gescannten Kiefersegments eines Schweins.

Das Gerät wurde in Kooperation verschiedener Abteilungen des Zentrums ZMK (Zahnärztliche Chirurgie, Konservierende Zahnheilkunde, Miladi, Oralmedizinische Technologie), der Poliklinik für Orthopädie sowie mit Unterstützung von BONFOR und verschiedenen Firmen beschafft.

Das Rasterelektronenmikroskop (REM) Philips XL30 ist ein vollständig rechnergesteuertes REM mit einer Beschleunigungsspannung bis 30 kV und einer maximalen Vergrößerung von 100.000. Es eignet sich zur Oberflächenanalyse aller elektrisch leitenden Materialien. Für die Beschichtung nichtleitender Materialien steht ein Sputtergerät zur Verfügung.

Zur weitergehenden Analyse der Elementzusammensetzungen der Proben wurde das Rasterelektronenmikroskop durch eine EDX-Einheit (Energiedispersive Röntgenspektroskopie) ergänzt.

Raster-Elektronenmikroskop mit EDX

Das Bild oben rechts zeigt die REM-Aufnahme des Dauerlastbruchs eines kieferorthopädischen Nickel-Titan-Drahtes.

Das Spektrum im Bild rechts zeigt die mit dem EDX bestimmte Zusammensetzung einer Einheilkappe aus einer Titanlegierung für die dentale Implantologie.

Das REM wurde als Gerät des Zentrums für ZMK beschafft, während die Erweiterung mit der EDX-Anlage durch die Poliklinik für Prothetik und die Oralmedizinische Technologie mit Unterstützung von BONFOR durchgeführt werden konnte.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist auch der Einfluss statischer und dynamischer mechanischer Belastungen auf die im Mund eingesetzten Materialien und Versorgungen. Für die dazu notwendigen Untersuchungen stehen eine Reihe von kommerziellen und selbstentwickelten Prüfsystemen zur Verfügung.

Werkstoffprüfmaschine DynaMess

Die DIN EN ISO 14 801 regelt die dynamische Dauerlastprüfung zur Bestimmung der Dauerschwingfestigkeit von Dentalimplantaten. In dieser Norm sind die Prüfungsbedingungen exakt definiert, so z.B. die Belastungsfrequenz und die Belastungsrichtung. Für eine normgerechte Prüfung von Dentalimplantaten steht im gemeinsamen Werkstoffkundelabor der Oralmedizinischen Technologie und der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Propädeutik und Werkstoffwissenschaften eine DynaMess Tischprüfmaschine des Typs TP 5 kN HF. Es sind Belastungsfrequenzen bis zu 15 Hz bei Maximalkräften bis 5 kN möglich. Mit diesem Gerät kann die mechanische Belastung von Kronen, von Implantaten mit Aufbaute oder von anderen prothetischen Versorgungen bei mehrjäriger intraorale Verweildauer simuliert und untersucht werden.

Materialprüfmaschine Zwick ZmartPro

Im Werkstoffkundelabor des Zentrums für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde steht eine leistungsstarke Werkstoffprüfmaschine Zwick ZmartPro zur Verfügung. Die Maschine wurde vor ca. 10 Jahren umfassend modernisiert und basiert auf einer Zwick 1445, die Prüflinge mit Kräften von bis zu 10 kN belasten kann. Die Belastungsfrequenz ist jedoch begrenzt auf unter 1 Hz. Das Gerät wurde durch das Zentrum für ZMK beschafft und durch die DGZMK gefördert. Das Werkstoffkundelabor des Zentrums wird seitens der Oralmedizinischen Technologie mitbetreut.

Selbstentwickelte Materialprüfmaschine

Die anwendungsorientierte Prüfung von dentalen Funktionselementen, sowohl für die zahnärztliche Prothetik als auch für die Implantologie oder Kieferorthopädie, erfordert oftmals die Konstruktion spezieller Mess- und Prüfgeräte. Die weiteren Fotos rechts zeigen drei Beispiele für derartige selbstkonstruierte Messgeräte der Poliklinik für Zahnärztliche Prothetik, Propädeutik und Werkstoffwissenschaften und Oralmedizinischen Technologie. Zum einen ist dies eine miniaturisierte Werkstoffprüfmaschine, ähnlich wie die oben beschriebene Zwick, zum anderen sind dies zwei spezielle Verschleißprüfmaschinen. Die Minizwick (Foto unten links) stellt vom Belastungsspektrum her eine Kombination aus der großen Zwick SmartPro und der DynaMess TP 5 kN dar. Diese selbstgebaute Werkstoffprüfmaschine liegt im Kraftbereich bei 2 kN, es können Belastungsfrequenzen bis etwa 2 Hz realisiert werden.

Mit den beiden weiteren Messgeräten können Füge- und Trennversuche an prothetischen Halteelementen durchgeführt werden. Die Kräfte sind hier auf maximal 200 N begrenzt. Dabei werden die Füge- und Trennverläufe hochaufgelöst aufgezeichnet. Als Besonderheit weisen beide Maschinen eine Probenlagerung auf, die das Verhalten des Zahnhalteapparats simulieren. Dadurch kann ein sehr realitätsnahes Fügen und Trennen erfolgen. Weiterhin wurde bei einer Maschine zusätzlich eine extraaxiale Belastung intergriert.

Zur dreidimensionalen Erfassung und Vermessung der Oberflächen von verschiedenen Objekten stehen ein kommerzieller und ein selbstentwickelter Laserscanner zur Verfügung. Mit einem Messbereich von jeweils etwa 8 x 8 x 4 cm³ und einer Auflösung von etwa 100 µm können damit Situationsmodelle von Patientenkiefern digitalisiert werden, so dass diese dann weiter analysiert werden können.

Zum Vergleich der digitalisierten Modell-Oberflächen werden die Punktewolken zuerst mit einem sogenannten Surface-Surface-Matching-Algorithmus aufeinander ausgerichtet. Danach werden die Zähne in den Situationsmodellen segmentiert und die Zahnbewegung zwischen den beiden Situationsmodellen wird bestimmt. 

Zur hochgenauen dreidimensionalen Vermessung von Oberflächen steht weiterhin ein Mikroprofilometer MicroSpy zur Verfügung. Damit können Oberflächenstrukturen mit einer Auflösung von bis zu 1 µm vermessen und analysiert werden.

Diese Analysemethode wurde zum Beispiel zur quantitativen Erfassung von Verschleißspuren an Teleskopkronen aus der zahnärztlichen Prothetik verwendet. Dies erlaubt es, mögliche Zusammenhänge zwischen der Legierungszusammensetzung und der Art und der Stärke der auftretenen Verschleißspuren zu analysieren.

Verschiedene in der Oralmedizinischen Technologie durchgeführte Untersuchungen mit biomechanischen Fragestellungen verwenden numerische Simulationen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Die dafür verwendeten Modelle sind zum Teil sehr komplex und umfassen häufig mehrere hunderttausend Knoten, wodurch herkömmliche Arbeitsplatzrechner mit diesen Simulationen überfordert sind. Daher verfügt die Oralmedizinische Technologie über ein kleines Rechner-Cluster, in dem ein Großteil der anfallenden Simulationen durchgeführt werden.

Das Cluster verfügt über insgesamt 30 CPUs, die zusammen 74 GByte Arbeitsspeicher besitzen. Die Finite-Elemente-Simulationen werden mit dem FE-System MSC.Marc/Mentat durchgeführt. Des Weiteren läuft auf dem Cluster auch eine selbst entwickelte Software zur Simulation von Knochenumbauprozessen.


 

In der Bilderreihe unten sind verschiedene Simulationsmodelle aus der dentalen Biomechanik dargestellt.

Finite-Elemente-Modell eines parodontal geschädigten Oberkiefers.

Farblich kodierte Darstellung der Spannungsverteilung in einem Finite-Elemente-Modell des SFI-Bars auf vier Implantaten.

Finite-Elemente-Modell eines teilbezahnten Unterkiefers mit am Eckzahn verankerter Freiendprothese.

Dentale Werkstoffe werden in der Mundhöhle extremen Belastungen ausgesetzt. Dies betrifft sowohl die zyklische mechanische Belastung durch Kauen oder auch Schlucken und Knirschen als auch thermische Belastungen (Wärme, Kälte) in dem als Elektrolyten wirkenden Speichel. Dies ruft Korrosions- und Verschleißphänomene hervor. Hierduch können Metallionen in den Speichel übergehen. Für die Untersuchung der Metallionenkonzentration in den Spüllösungen der experimentell simulierten Belastungen von dentalen Funktionselementen und Werkstoffen oder auch von Speichelproben der Patienten betreibt die Oralmedizinische Technologie ein Massenspektrometer Perkin Elmer Elan 6000. Die Beschaffung des Gerätes erfolgte im Rahmen eines vom BMBF unterstützten Projektes.

Experimentelle biomechanische Untersuchungen in der Zahnheilkunde überdecken einen weiten Bereich an Kräften und Drehmomenten sowie Translationen und Rotationen. Konfektionierte Messgeräte sind für diese speziellen Anwendungen kaum am Markt erhältlich. Daher hat die Oralmedizinische Technologie (und vormals das Labor für Experimentelle Kieferorthopädie) in den vergangenen 20 Jahren eine ganze Reihe spezieller Messgeräte für diese Aufgabenstellungen entwickelt. Die folgenden Photos zeigen nur eine Auswahl dieser Messgeräte.

Orthodontisches Mess- und Simulations-System (OMSS)

Das Orthodontische Mess- und Simulations-System (OMSS) wurde speziell für Anwendungen in der kieferorthopädischen Biomechanik entwickelt. Der Aufbau des Gerätes erfolgte bereits im Jahr 1990 im Rahmen eines von der DFG unterstützten Projektes. Die technischen Details oder Anwendungsbeispiele des Messaufbaus sind in verschiedenen Publikationen beschrieben (siehe z.B. Drescher et al., 1991; Bourauel et al., 1992; Fansa et al., 2009).

Mobilitäts-Mess-System (MOMS)

Mit dem Mobilitäts-Mess-System (MOMS) kann das biomechanische Verhalten des Zahnhalteapparats bestimmt werden. Hierzu werden Kiefersegmente mit einzelnen Zähnen in einen Kunststoffsockel eingebettet und die Zahnkrone mit definierten Kraftsystemen belastet. Die resultierende Zahnauslenkung wird berührungslos über ein System aus 3 Laserdioden und 3 Flächensensoren gemessen. Aus den ermittelten Kraft/Auslenkungszusammenhängen kann in Kombination mit numerischen Untersuchungen auf die biomechanischen Eigenschaften des Parodontalligaments zurückgeschlossen werden.

Hexapod-Mess-System (HexMeS)

Im Hexapod-Mess-System (HexMeS, Keilig et al., 2004) können sowohl biomechanische Untersuchungen an Dentimplantaten als auch an prothetischen Halteelementen oder Kiefersegmenten durchgeführt werden. Ähnlich wie beim MOMS werden Präparate in Kunststoffsockel eingebettet und können dann über den Hexapoden mit angeflanschtem Kraft/Drehmoment-Sensor mit definierten Kraftsystemen belastet werden. In Verbindung wiederum mit numerischen Studien werden die biomechanischen Eigenschaften der untersuchten Präparate (Implantat im Knochensegment, prothetisches Halteelement, Kiefersegment mit Zahn) detailliert ermittelt.