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Grundlagen der Wissenschaft

 

Toxikologie von Nanopartikeln in der Zahnmedizin

Ausgabe 10, 2019

Das Wort Nano (lat. „nanus“) bedeutet Zwerg. Ein Nanometer ist ein milliardstel Meter (10-9 m). Nanoteilchen besitzen spezielle chemische und physikalische Eigenschaften, die deutlich von denen von Festkorpern oder großeren Partikeln abweichen. Hierzu gehoren u. a. hohere chemische Reaktivitat durch eine große spezifsche Ober?ache (großeTeilchenober?ache im Verhaltnis zum Volumen), geringer Ein?uss von Massenkraften (Gewichtskraft) und zunehmender Ein?uss von Ober?achenkraften (z. B. Van-der-Waals-Kraft), zunehmende Ober?achenladungen und thermodynamische Effekte (brownsche Molekularbewegung). Bei den Nanomaterialien werden verschiedene Materialgruppen unterschieden: kohlenstoffhaltige Nanopartikel (z. B. Ruß), Metall- und Halbmetalloxide (z. B. Titandioxid), Halbleiter (z. B. Silizium), Metalle (z. B. Gold) sowie Polymere (z. B. Blockcopolymere).

Nanostrukturen in der Natur. Nanometergroße Haare befnden sich etwa an Fliegenbeinen und ermoglichen es Insekten, an Decken und Wanden zu klettern. Das bekannteste Nano-Beispiel aus der Natur ist der sogenannte Lotuseffekt: Feine Nanostrukturen sorgen dafur, dass Wasser auf den Blattern der Lotusp?anze abperlt und die Haftung von Schmutzpartikeln minimiert wird (Abb. 1). Muschelschalen, aber auch der menschliche Knochen enthalten organische und anorganische Nanomaterialien, die so eng aneinandergereiht sind, dass sie eine extreme Stabilitat und Widerstandsfahigkeit aufweisen.


Lotuseffekt. Wasser perlt ab und reinigt (Abb. 1).

Nanotechnologische Produkte. Zu den wichtigsten nanotechnologischen Produkten zahlen viele Pigmente, z. B. Titandioxid und andere Zusatzstoffe (Additive) fur Lacke und Kunststoffe, beispielsweise hochdisperse Kieselsauren. Diese Produkte sind zum Teil seit uber 40 Jahren auf dem Markt, erhalten aber im Zuge des allgemeinen Medienrummels („Nano-Hype“) oft im Nachhinein die Vorsilbe „Nano“. Außerdem gibt es seit kurzer Zeit auch Kleidungsstucke, die einen Nanoverbund aufweisen und somit schmutzabweisend wirken. Dies beruht auf der Funktion, dass die Schmutzteilchen auf den winzigen Nanoelementen nicht anhaften.
Besondere Einsatzgebiete der Nanotechnologie sind heutzutage die Beschichtung von Ober?achen oder die Herstellung von zahnarztlichen Fullungsmaterialien. Nanofullkorper werden dann als „Nano“ bezeichnet, wenn die darin enthaltenen Partikel kleiner als 100 nm sind. Nanofullkorper verhalten sich bei diesen Anwen dungen nicht mehr wie eine amorphe Substanz, sondern nehmen Eigenschaften von Flussigkeiten an.

Nanopartikel in der Zahnmedizin. Immer mehr zahnarztliche Materialien enthalten Nanopartikel (z. B. Nanokomposite, Nanofuller). Beim Patienten konnen diese Partikel wahrend des Kauvorgangs freigesetzt werden, mit dem Speichel verschluckt werden und in den Organismus gelangen (Ingestion). Außerdem ist es moglich, dass Zahnarzte, zahntechnisches Personal und Patienten wahrend des Schleifens/Polierens von Nanokompositen bzw. Keramiken freigesetzte Nanopartikel (Staube) uber die Lunge aufnehmen (Inhalation). Bei diesen Maßnahmen entstehen verschiedene Staubpartikel: Grobstaub (Partikel bis 10 ?m), Feinstaub (bis 5 ?m), Feinststaub (bis 3 ?m) und Nanopartikel (< 100 nm). Wahrend Grob-, Fein- und Feinststaub vorwiegend im Nasenrachenraum abgefangen und schnell abgeatmet bzw. uber die Zilien eliminiert werden, konnen Nanopartikel bis in die Bronchiolen und Alveolen der Lunge gelangen, dort eingelagert werden und Nebenwirkungen verursachen.


Komposite. Partikelfreisetzung nach Beschleifen von Kompositen in vitro. Die Partikel wurden nach dem Beschleifen der Kompositblocke uber spezielle Glasfaser-Filtersysteme gesammelt. Die Großenbestimmung erfolgte mit dem Transmissionselektronenmikroskop. Dunkelgraue Balken = inhalierbare Partikel (5 bis 10 ?m), hellgraue Balken = respiratorische Partikel (< 3 ?m). Die Balken stellen Mittelwerte mit Standardabweichungen dar. Die rote Linie reprasentiert den Arbeitsplatzgrenzwert fur respiratorische Partikel (Abb. 2).

Wirkungen von Nanopartikeln und Grenzwerte. Anorganische Staube (z. B. Silikate), Metallstaube (z. B. Arsen), aber auch Holzstaube (z. B. Buchen- und Eichenholz) werden in der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) als mutagene/karzinogene Substanzen deklariert. Seit Langem sind typische Pneumokoniosen (Silikosen) durch Einatmung anorganischer Staube bei Arbeitern bekannt, die beispielsweise Steine oder Keramiken beschleifen. Die Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) von Stauben liegen bei 10 mg/m3 Luft fur die einatembare/inhalierbare Partikelfraktion (5 bis 10 ?m) und bei 1,25 mg/m3 Luft fur die alveolengangige/respiratorische Fraktion (< 3 ?m).

Inhalation von dentalen Nanopartikeln. In In-vitro-Versuchen wurden standardisierte Kompositblocke hergestellt und mit einem Diamantbohrer beschliffen. Nach Sammlung des freigesetzten Staubes uber spezielle Filtersysteme wurden die Anzahl und die Partikelgroßen der Staubfraktionen mit einem Transmissionselektronenmikroskop bestimmt. Es zeigte sich, dass bei gleicher Bearbeitung von allen Kompositen nur maximal 0,3 mg/ m3 inhalierbare Partikel (5 bis 10 ?m; AGW = 10 mg/m3 Luft) freigesetzt wurden. Hingegen lag die Freisetzung respiratorischer Partikel (< 3 ?m) bei bis zu 60 mg/m3 (AGW = 1,25 mg/m3) (Abb. 2).
In klinischen Versuchen wurden spezielle Filter-, Messund Zahlsysteme (Aerocet 531) am Kragen beim Zahnarzt befestigt und wahrend der Behandlung am Patienten sowie nach dem Schleifen/Polieren von Nanokompositen die Anzahl und die Große der freigesetzten Schleif-/ Nanopartikel bestimmt. Es zeigte sich, dass wahrend der Behandlung Partikel mit einer Große < 2,5 ?m nur zu geringen Mengen (< 0,9 mg/m3) freigesetzt wurden. Bei Partikeln mit einer Große von 2,5 bis 7 ?m wurde der AGW von 1,25 mg/m3 wahrend einer 3-stundigen Behandlung nur kurzzeitig erreicht (Abb. 3). Es ist jedoch zu betonen, dass sowohl die In-vitro- als auch die klinischen Versuche jeweils ohne Wasserkuhlung und Absaugung durchgefuhrt wurden. Dennoch werden dem Zahnarzt beim Umgang mit dentalen (Nano-)Schleifstauben heute folgende Empfehlungen gegeben:

  • Masken zur Infektionsreduzierung (Mundschutzmasken) schutzen nicht vor der Aufnahme von dentalen Schleifstauben.
  • Das Tragen von FFP-3-Masken („Filtering Face Piece Masks“) mit einer hohen Partikelfltrationsrate ist ratsam. Einige Hersteller von zahnarztlichen Materialien haben den Hinweis zur Verwendung von FFP-Masken beim Bearbeiten/Schleifen/Polieren ihrer Produkte bereits im Beipackzettel verankert.
  • Durch eine gute Modellierung/Formung lasst sich der Schleifvorgang abkurzen.
  • Es sollte auf eine gute Wasserkuhlung, Absaugung und Beluftung geachtet werden.


Partikel-Freisetzung wahrend einer dreistundigen Behandlung am Patienten (Klinische Situation). Beim Zahnarzt wurden spezielle Partikelmesssysteme am Kragen befestigt und wahrend des Beschleifens/Polierens des Nanokomposits „FiltekSupreme XTE (3M ESPE)“ die Anzahl und die Große der freigesetzten Schleif-/Nanopartikel bestimmt. Die rote Linie reprasentiert den Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) fur respiratorische Partikel (AGW = TLV) (Abb. 3).

Ingestion von dentalen Nanopartikeln. In einem Kausimulator wurden verschiedene (Nano-)Komposite wie z. B. Filtek Supreme XT (Fa. 3M Espe; Nanofuller), CeramX (Fa. Dentsply DeTrey; Nanofuller) und Tetric EvoCeram (Fa. Ivoclar Vivadent; Nanohybrid) auf die Freisetzung von Nanopartikeln wahrend des Kauvorgangs bestimmt. Dabei zeigte sich, dass nur eine geringe Anzahl an Nanopartikeln aus den untersuchten Materialien freigesetzt wurde (Abb. 4). Da die Anteile und Mengen der wahrend des Kauvorgangs abradierten/freigesetzten (Nano-)Partikel aus allen untersuchten Kompositen klein waren, ist das gesundheitliche Risiko beim Patienten nach dem Verschlucken dieser Partikel als außerst gering einzustufen.

Nano-Titan. Seit 2011 ist im Internationalen Beratungszentrum fur die Vertraglichkeit von Zahnmaterialien an der LMU in Munchen (www.dentaltox.com) ein enormer Anstieg der Anfragen zur Vertraglichkeit/ Biokompatibilitat von Titan zu verzeichnen. Immer wieder wird Titan fur das Auftreten von Nebenwirkungen (z. B. Allergien) auch bei Tragern von Titanimplantaten verantwortlich gemacht. Die Folge ist, dass Patienten (aber auch Zahnarzte/Personal) verunsichert sind und Angste entwickeln, die ihrerseits Krankheiten auslosen konnen. In eigenen Studien war Nano-Titan in In-vitround In-vivo-Toxizitatstests nicht toxischer als andere zahnarztliche Materialien (z. B. freigesetzte Methacrylate aus Kompositen). Die Auslosung von Titanallergien durch das Einsetzen von Titanimplantaten bei Patienten ist in der wissenschaftlichen Literatur nicht belegt.

Silber-Nanopartikel. Silber-Nanopartikel haben eine antibakterielle Wirkung und werden deshalb oft in Zahnpasta eingebracht. Neuerdings wird von einigen Herstellern auch der Einsatz von Silber-Nanopartikeln in zahnarztlichen Materialien wie z. B. Kompositen empfohlen, um hiermit der Entstehung von Karies vorzubeugen. Die Silberionen gehen dabei Wechselwirkungen mit Proteinen der Bakterien ein und fuhren zur Denaturierung.
Wie verhalten sich aber Silber-Nanopartikel in Kompositen? Haben sie einen Ein?uss auf den Polymerisationsprozess der Komposit-Inhaltsstoffe? In eigenen Studien wurden verschiedene Konzentrationen an Silber-Nanopartikeln experimentellen Kompositen (z. B. Tetric Flow, Fa. Ivoclar Vivadent) beigemengt und die Freisetzungsraten der Komposit-Inhaltsstoffe im Eluat mittels Gaschromatografe/FlussigkeitschromatografeMassenspektrometrie nach 24 Stunden bestimmt. Dabei fuhrte die Zugabe von Silber-Nanopartikeln zu hoheren Mengen an freisetzbaren Inhaltsstoffen. TriethylenglycolDimethacrylat (TEGDMA) und ethoxyliertes BisphenolA-Dimethacrylat (BisEMA) wurden z. B. bei der Zugabe von Silber (0,01 bis 0,3 Prozent) um ein Vielfaches starker eluiert als Kontrollmaterial, das kein Nano-Silber enthielt (Tab. 1).
Ursachen fur die mangelnde Polymerisation und damit die starkere Freisetzung von Inhaltsstoffen sind die Re?exion und die Absorption von Lichtphotonen sowie die Aufnahme oder Abgabe von Elektronen von Silber-Nanopartikeln. Des Weiteren kommt es zur Bildung von Komplexen der Nanopartikel mit den Photoinitiatoren. Methacrylate sind bekannte Allergene. Durch die gesteigerte Freisetzung insbesondere von Methacrylaten waren Methacrylatallergiker bei der Applikation von Silber-Nanopartikel enthaltenden Kompositen besonders betroffen. Aus toxikologischer/allergologischer Sicht ist der Zusatz von Silber-Nanopartikeln in zahnarztlichen Kunststoffmaterialien deshalb nicht empfehlenswert bzw. abzulehnen.


Partikelverteilungskurve nach dem Kauvorgang mit Filtek Supreme XT innerhalb von 24 h (Abb. 4).

Schlussfolgerungen.

  • Nanopartikel und anorganische Staube konnen starke toxische Wirkungen haben.
  • Wahrend des Herausbohrens, Schleifens oder Polierens konnen Nanopartikel z. B. aus (Nano-)Kompositen in die Luft freigesetzt und eingeatmet werden.
  • Aufgrund der geringen Anteile der freigesetzten Nanopartikel und der limitierten Aufnahme ist die Gefahr einer gesundheitlichen Gefahrdung von Patienten als außerst niedrig einzustufen.
  • Um das gesundheitliche Risiko zu mindern, wird Zahnarzten und dem zahnarztlichen Personal empfohlen, beim Schleifen/Bohren eine partikelabsorbierende Schutzmaske (FFP-3) zu tragen.
Das Literaturverzeichnis fnden Sie unter www.zahnaerzteblatt.de oder kann beim IZZ bestellt werden unter Tel: 0711/222966-14, Fax: 0711/222966-21 oder EMail: info@zahnaerzteblatt.de.

Univ.-Prof. Dr. Dr. Franz-Xaver Reichl


Freisetzung von Inhaltsstoffen aus experimentellem Tetric Flow nach Zugabe von Silber-Nanopartikeln nach 24-stundiger Elution. Mittelwerte (MW) und Standardfehler der Mittelwerte (SEM) (?mol/L in Methanol) (Tab. 1).