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Dental biofilms (pellicle, caries and plaque)

The basic film for bacterial attachment and thus the basis for plaque and caries on dental materials is called pellicle (bacteria free biofilm). A combination of surface science and biochemical methods gives insights into the adsorption and adhesion of important salivary proteins (serum albumin, lysozyme) and carbohydrates (dextran of different molecular weight) on different dental materials (natural and implant materials). In conclusion, the pellicle formation is a complex interplay between proteins and carbohydrates, which interact with each other (to form agglomerates) or replace each other. The used methods are: Scanning Force Spectroscopy (SFS) and Microscopy (SFM), Dynamic Contact Angle (DCA) measurements, Quartz Crystal Microbalance (QCM), lysozyme activity test, BCA (bicinchoninic acid assay to detect proteins), PSA (phosphorsulfuric acid assay to detect carbohydrates), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS). This work is done in collaboration with AG Hannig, Clinic of Operative Dentistry, Periodontology and Preventive Dentistry, University Hospital of the Saarland, Homburg.

Medizin- und Dentalwerkstoffe, unspezifische biologische Wechselwirkungen

Zahnschmelz nach Einwirkung eines Erfischungsgetränks
Zahnschmelz nach Einwirkung eines Erfischungsgetränks
Linienscan der oben gezeigten Probe
Linienscan der oben gezeigten Probe
  • Untersuchungen zu Korrosionseigenschaften, zur Proteinadsorption und zur Biokompatibilität (z.B. neue Dentallegierungen, neue Zahnimplantate)
  • Untersuchung von biologischen Adhäsionsphänomenen (Insekt/Blatt)

Methoden:

  • XPS, EDX, STM, SFM, Kraftspektroskopie, REM, Fluoreszenzmikroskopie, Kontaktwinkelmessungen, Schwingquarzmessungen, Cyclovoltammetrie
  • in Kooperation: ICP-AES, Röntgenbeugung, TEM

Bisher wurden drei verschiedene metallische Dentalsysteme untersucht, neue Füllungslegierungen auf Ga-Basis als Amalgamersatz, Edelmetall-Legierungen als Grundlage für Verblendkeramiken und Implantatwerkstoffe aus beschichtetem Titan. In allen Fällen ist es wünschenswert, Informationen über die Biokompatibilität zu erhalten, bevor aufwendige klinische Tests erfolgen. Zwei wichtige Parameter für die Biokompatibilität und die Haltbarkeit sind die Korrosionsbeständigkeit sowie die Proteinadsorption. Letztere führt zu einem Belag, der von Bakterien leicht angegriffen werden kann, die beispielsweise Entzündungen des Zahnfleischs oder Karies hervorrufen.
Beide Parameter sind typische Eigenschaften, die von der Oberfläche bestimmt werden, so dass hier über eine Kombination von Oberflächenuntersuchungen vor und nach Lagerung in Speichel klinisch relevante Daten ermittelt werden können.

Außerdem wurden neue Methoden aufgebaut bzw. entwickelt, die eine umfassende In-situ-Charakterisierung der Protein- und Bakterienadsorption ermöglichen. Dies ist zum einen die dynamische Kontaktwinkelbestimmung, die ein schnelles Screenen der Reversibilität und anderer Parameter erlaubt. Mit Schwingquarzmessungen kann die Proteinadsorption quantifiziert werden. Cyclovoltammetrie erlaubt die Bestimmung der Dichtigkeit der Schicht. Über Fluoreszenz- und Rasterkraftmikroskopie kann die Schichtmorphologie bestimmtwerden. Dabei wurde eine Durchflusszelle entwickelt, die es erlaubt, in-situ, also dynamisch die Adsorption im Durchfluss zu verfolgen (s. "Rastersondenverfahren"). Rasterkraftspektroskopie erlaubt die Quantifizierung der Protein-Biomaterial-Wechselwirkung.
Neuere Entwicklungen können auch Beschichtungen mit Nanopartikeln mit einbeziehen (s. "Nanokristalline und nanoporöse Schichtsysteme").

Neben den Untersuchungen an Biomaterialien werden auch biologische Adhäsionsphänomene untersucht, die die Haftung von Insekten auf Blättern oder anderen Unterlagen gewÄhrleisten

Kooperationen

Dr. Stanislav Gorb, MPI für Entwicklungsbiologie Tübingen
ESPE Dental
AG Hannig, Klinik für Zahnerhaltung, Homburg/Saar