DE102015103606B3

DE102015103606B3 - Farbindikatorsystem auf Basis der Iod-Stärke-Reaktion zur Tragekontrolle für kieferorthopädische Geräte

Info

Publication number: DE102015103606B3
Application number: DE102015103606.1A
Authority: DE
Inventors: Herbert Wolter; Somchith Nique; Florian Häusler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: WO2016142414A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Farbindikatorsystem auf Basis der Iod-Stärke-Reaktion, das zur Tragekontrolle für kieferorthopädische Gerate eingesetzt werden kann und eine mit einer Öffnung versehene Aufnahme aufweist, in der sich eine Schicht oder Masse befindet, welche einen farbigen, entfärbbaren Komplex aus Amylose und Iod/Iodid enthält oder hieraus besteht. Die Öffnung der Aufnahme ist durch eine Membran verschlossen, durch die Amylase hindurchtreten kann. Als Aufnahme eignet sich ein mit einer Öffnung versehener Körper, der an einem kieferorthopädischen Gerät befestigt werden kann. Alternativ kann die Aufnahme ein in das kieferorthopädische Gerät integrierter oder mit diesem integral verbundener Bestandteil sein. Im Kontakt mit der im Speichel des Trägers befindlichen Amylase entfärbt sich der Komplex in Abhängigkeit von der Tragedauer.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Farbindikatorsystem auf Basis der Iod-Stärke-Reaktion, umfassend eine mit einer Öffnung versehene Aufnahme, in der sich eine Schicht oder Masse befindet, welche Amylose und Iod/Iodid sowie optional Amylopektin und/oder einen Filmbildner oder Stabilisator enthält, wobei die Öffnung der Aufnahme durch eine Membran verschlossen ist, durch die Amylase hindurchtreten kann.
Für den Erfolg von kieferorthopädischen Behandlungen ist die patientenseitige Einhaltung einer exakten Tragedauer ("Compliance") ein entscheidender Faktor für den Therapieerfolg. Besonders bei herausnehmbaren kieferorthopädischen Geräten wie z. B. Bionatoren und Aktivatoren ist deshalb die Mitarbeit der Patienten erforderlich.
Kieferorthopädische Behandlungen nehmen mit rund 886 Mio. Euro (2009) einen prominenten Platz bei den Ausgaben für zahnärztliche Behandlungen ein. Durch z. B. frühzeitigen Milchzahnverlust, genetisch bedingt oder durch häufiges "Nuckeln" am Daumen kann es zu Zahnfehlstellungen kommen. Werden diese Fehlstellungen nicht behandelt, können weitere schwerwiegendere Folgen wie z. B. Kiefergelenksfehlstellungen und Zahnlockerungen bis hin zum Verlust von Zähnen entstehen. Neben festsitzenden Geräten wie z. B. Multibandapparaturen (Brackets) werden sehr viele herausnehmbare Schienen zur Therapie verwendet. Dazu zählen z. B. Bionatoren und Aktivatoren. Es werden aber auch sehr viele Knirscher- und Kiefergelenkstherapieschienen, Kontentionsschienen in der Traumatologie (luxierte Zähne) sowie logopädische und Doppelschienen (Atmungsunterstützung) eingesetzt. Bleachingschienen sind eine Besonderheit, da ihr Einsatz nur ästhetischen Zwecken dient. Jedoch spielt bei allen die Tragedauer eine wichtige Rolle für den Therapieerfolg. Werden sie zu kurz getragen, bleibt dieser aus, was weitere schwerwiegende Folgen haben kann.
Derzeitig eingesetzte Tragekontrollen für herausnehmbare Schienen weisen aufgrund der Empfindlichkeit gegen äußere Einflüsse wie z. B. Feuchtigkeit/Wasser, Temperatur oder Magnetfelder große Defizite bzgl. der Feststellbarkeit der exakten Tragedauer auf. Die unterschiedlichen Wirkprinzipien können durch äußere Einflüsse verfälscht werden, wodurch der Einsatz überflüssig wird. Ein Wirkprinzip beruht auf einem Farbindikator, der durch die Feuchtigkeit des Mundspeichels einen Farbumschlag bewirkt. Jedoch kann sich dieser Indikator auch in Gegenwart von Feuchtigkeit außerhalb der Mundhöhle (z. B. Wasserglas) entfärben. Ein weiteres Wirkprinzip beruht auf der Aktivierung eines Chronometers durch ein magnetisches Feld. Dieses wird durch einen am Zahn befestigten Magneten erzeugt. Durch magnetische Felder von elektronischen Geräten können diese Messwerte verfälscht werden. Ein sehr aufwendiges Wirkprinzip ist die Messung der Temperatur in festgelegten Abständen mit Hilfe eines Computerchips. Die Daten können auf einen Computer übertragen werden.
Durch starke Temperaturschwankungen außerhalb des Mundmilieus gestaltet sich die Auswertung jedoch nur schwierig. Zudem sind die benötigten Geräte sehr kostenintensiv.
Die Reaktion von Iod mit Stärke ist seit langem bekannt und wird in der Analytik zum Nachweis von Stärke eingesetzt. Das Iod reagiert mit Stärke unter Bildung eines stabilen Iod-Stärke-Komplexes. Dabei lagern sich die Iod-Moleküle kettenförmig in die helikale Stärke-Struktur ein und nehmen durch Polarisierung ihrer Elektronenhüllen eine tiefblaue Farbe an. Diese verschwindet schnell wieder, wenn Stärke abgebaut oder seine Helix-Struktur verändert wird. Bekannt ist auch der enzymatische Abbau von Stärke durch α-Amylase in Speichelflüssigkeit. In der DE 60 2004 010 313 T2 wird vorgeschlagen, dass der Arzt ein für den Speichelfluss durchlässiges, stärkehaltiges Indikatorpapier in ein offenes Fenster einer kieferorthopädischen Apparatur einführt, das mit Iodtinktur unterschiedlicher Konzentration violett gefärbt ist. Die im Speichel enthaltene Amylase baut die Stärke des Papiers ab, wodurch sich das Paper graduell entfärbt. Die Iod-Konzentration wird so gewählt, dass dann, wenn die tatsächliche Tragedauer und die empfohlene Tragedauer übereinstimmen, eine vollständige Entfärbung des Papiers erfolgt. Wie das stärkehaltige Indikatorpapier dagegen geschützt werden soll oder kann, durch die Speichelflüssigkeit aufgeweicht und aufgelöst zu werden, wird in dieser Druckschrift nicht angesprochen. Außerdem wird in dem der DE 60 2004 010 313 T2 zugrundeliegenden Vorschlag nicht berücksichtigt, dass der Iod-Stärke-Komplex ausreichend gegen mechanische Belastung (z. B. durch das Putzen mit einer Zahnbürste) geschützt werden muss.
Eine Tragekontrolle, die gegen äußere Einflüsse einschließlich Einflüssen bei der Zahnreinigung unempfindlich ist und ausschließlich unter oralen Bedingungen die Tragedauer "misst", ist derzeit nicht verfügbar. Der behandelnde Zahnarzt oder Kieferorthopäde ist somit noch immer auf die Aussagen des Patienten angewiesen bzw. muss sich auf die Werte derzeitig eingesetzter Tragekontrollen verlassen, die jedoch "verfälscht" sein können.
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer zuverlässigen, standardisierbaren Tragekontrolle für herausnehmbare kieferorthopädische Geräte auf Basis der Reaktion von Amylase mit Stärke und deren Detektion durch Iod, mit der die genaue Tragedauer bestimmt werden kann und die unempfindlich gegen Auflösen durch Speichel und gegen mechanische Belastung bei der Zahnreinigung und dergleichen ist. Die Tragekontrolle soll darüber hinaus neben dem Element Iod (als Iodid und/oder als Iod), das eine für den menschlichen Körper essentielle Substanz ist (es wird für den Aufbau von Schilddrüsen-Hormonen benötigt), vorzugsweise ausschließlich aus nichttoxischen Komponenten bestehen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein in das kieferorthopädische Gerät integrierbares Farbindikatorsystem auf Basis der Iod-Stärke-Reaktion, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise speicheldichte, eine Öffnung aufweisende Aufnahme zum Aufnehmen einer Schicht oder Masse, die Amylose, ggf. auch Amylopektin, und Iod/Iodid sowie optional mindestens einen Filmbildner oder Stabilisator enthält, wobei die Öffnung der Aufnahme durch eine Membran verschlossen ist, durch die Amylase hindurchtreten kann.
Grundlage des Lösungsansatzes ist eine Reaktion mit α-Amylase und damit mit einem körpereigenen Enzym. Die Konzentration dieses im Speichel vorkommenden Enzyms ist unabhängig vom Alter/Geschlecht, mit einer Ausnahme – während der Mahlzeiten. Da die Schiene während dieser Zeit nicht getragen wird, kommt es zu keinem Einfluss auf das Kontrollsystem. Die erfindungsgemäß genutzte Reaktion ist unabhängig vom umgebenden Feuchtigkeitsgehalt und der herrschenden Temperatur; sie findet ausschließlich im Mund statt.
Stärke besteht üblicherweise aus einer Mischung aus Amylose und Amylopektin. Amylose ist ein kettenförmiges Polysaccharid, das aufgrund der vorhandenen Bindungswinkel eine helixförmige Gestalt besitzt. Die Iod-Stärke-Reaktion beruht auf der Möglichkeit, dass unter Ausbildung eines stabilen Iod-Stärke-Komplexes Polyiodidketten (I₃ ^–, I₅ ^–, I₇ ^–, I₉ ^–) in die Kanäle der helikalen Struktur eingelagert werden, wodurch die Valenzelektronen des Iods delokalisiert (polarisiert) werden, was den Farbeffekt (Entstehen einer tiefblauen Farbe) verursacht. Wird die Stärke abgebaut oder die Helix-Struktur verändert, tritt eine Ver- bzw. Entfärbung ein, siehe z. B. Annabel Bijttebier, Hans Goesaert & Jan A. Delcour, Amylase action pattern on starch polymers, Biologia 63/6: 989–999, 2008 oder Jeanette E. Mörmann and H. R. Mühlemann, Oral Starch Degradation and Its Influence on Acid Production in Human Dental Plaque, Caries Res, 15: 166–175 (1981).
Amylopektin ist im Gegensatz zu Amylose ein verzweigtes Polysaccharid. Aufgrund der weiten Verzweigungen neigt es zum Verkleben. Natürliche Stärke enthält ca. 20–30 Gew.-% Amylose und ca. 80–70 Gew.-% Amylopektin. Die vorliegende Erfindung benötigt die Gegenwart von Amylose, aber nicht unbedingt diejenige von Amylopektin. Bevorzugt wird jedoch eine Kombination aus Amylose und Amylopektin eingesetzt, wobei das Verhältnis der beiden Komponenten von dem in üblicher natürlicher Stärke gefundenen abweichen kann. Ein Anteil von mindestens 5 Gew.-% Amylose ist dabei wünschenswert, um eine ausreichende Farbreaktion zu erhalten.
Es sollte klar sein, dass Ausdrücke wie "Iod-Stärke-Reaktion" und "Iod-Stärke-Komplex" in der vorliegenden Anmeldung als allgemeine Begriffe für die oben beschriebene Farbreaktion und den einsetzbaren Komplex verwendet werden, unabhängig davon, ob neben Amylose auch Amylopektin in der erfindungsgemäß verwendeten Schicht oder Masse eingesetzt wird oder nicht.
Sofern ein Filmbildner oder Stabilisator vorhanden sein soll, eignen sich hierfür verschiedene Materialien, die verschiedene Funktionen haben können. In einer wichtigen Ausführungsform wird ein Filmbildner oder Stabilisator eingesetzt, der als Weichmacher fungiert (ohne ein derartiges Material entsteht beim Erhitzen von Stärke in Wasser ein sprödes Material, das sich nicht gut in eine Schicht oder geschmeidige Masse überführen und damit nur schlecht in die Aufnahme einbringen lässt). Zu dieser Gruppe gehören mehrwertige Alkohole, die mit den Hydroxygruppen der Stärke interagieren können. Der Filmbildner oder Stabilisator wird daher vorzugsweise unter organischen Substanzen ausgewählt wie EVA (Ethylvinylalkohol), Polyethylenglycol oder Glycerin. Gegebenenfalls kann als Stabilisator stattdessen oder zusätzlich ein poröses Gerüstmaterial eingesetzt werden, in dessen Poren sich Iod-Stärke- bzw. Iod-Amylose-Komplex befindet. Da die Masse oder Schicht schon aufgrund der sie abdeckenden Membran ihre Form nicht verlieren kann, ist diese Ausführungsform jedoch weniger bevorzugt, weil ohne Vorteile. Sofern die Schicht oder Masse neben Amylose Amylopektin enthält, kann die Menge an Filmbildner/Stabilisator aufgrund der starken Klebwirkung dieser Substanz relativ gering gehalten werden. Je nach Anteil an Amylopektin kann sie beispielsweise im Bereich von 5–80 Gew.-%, vorzugsweise 15–40 Gew.-% des Gewichts der Mischung aus Stärke und Filmbildner/Stabilisator liegen. Der Filmbildner oder Stabilisator wird vorzugsweise in eine wässrige Suspension der Amylose bzw. Stärke gegeben, worauf die Mischung in die Nähe des Siedepunkts gebracht und sodann mit Iod/Kaliumiodid versetzt wird. Das Material kann heiß in die gewünschte Form, z. B. einen Film gebracht und sodann abgekühlt werden. Nach dem Abkühlen ist es geschmeidig und flexibel und kann beispielsweise von einer Unterlage wie einer Glasplatte abgezogen werden.
Der Filmbildner oder Stabilisator bildet mit der Stärke bzw. Amylose ein Material, das noch nicht ausreichend gegen mechanische Einwirkungen im Mund des Patienten geschützt ist. Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Schicht oder Masse, welche Amylose, ggf. Amylopektin und Iod/Iodid sowie optional den Filmbildner oder Stabilisator enthält, durch eine Membran vom übrigen Mundmilieu zu trennen. Damit ein ungehinderter Zugang des Iod-Stärke-Komplexes durch α-Amylase gewährleistet ist, ist die Membran mit Poren in geeigneter Größe versehen.
Die genannte Membran kann aus rein organischem Material bestehen. Membranen mit geeigneter Porengröße (vorzugsweise ≥ ca. 5 µm, oft ≥ 10 µm, aber möglichst nicht wesentlich > 100 µm, da Amylase ein Molekulargewicht von bis zu ca. 150.000 besitzt) sind bekannt; sie werden in der Regel in der Mikrofiltration eingesetzt. Beispiele für die Erzeugung von porösen Membranen finden sich beispielsweise bei H. Xu und W. A Goedel, Angew. Chem. Int. Ed. 42, 4694–4696 (2003) (unter Einsatz von Trimethylolpropantrimethacrylt TMPTMA und Silica-Kolloid) oder bei Q. Hou et al., Biomaterials 24, 1937–1947 (2003) (unter Verwendung von z. B. Poly(D,L-Lactid und Poly(ε-caprolacton). Auch das sogenannte "Gel Template Leaching" (siehe beispielsweise N. Gankema und M.A. Hempenius in Macromol. Symp. 102, 382–390 (1996) kann genutzt werden. Die Membran sollte biologisch verträglich sein. Selbstverständlich können kommerziell erhältliche Membranen verwendet werden, soweit sie die erforderliche Porengröße aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform besteht die Membran aus einem keramischen Material. Dies ist jedoch weniger bevorzugt, da solche Membranen keine Flexibilität besitzen.
Bevorzugt wird die Membran aus einem anorganisch-organischen Hybridmaterial (ORMOCER^®), stärker bevorzugt aus einem optional organisch vernetzten Kieselsäure(hetero)polykondensat gebildet. Hierfür wird in üblicher Weise ein hydrolytisch kondensierbares Silan, beispielsweise ein Alkoxysilan, das über Kohlenstoff an das Silicium gebundene Reste aufweist, oder ein Gemisch solcher Silane eingesetzt und einer hydrolytischen Kondensation unterworfen. Sofern ein Teil oder alle der über Kohlenstoff an das Silicium gebundenen Reste organisch vernetzbare Gruppen aufweisen, kann anschließend mit Hilfe von aktinischer Strahlung (insbesondere von Strahlung im Sichtbaren oder im IR oder UV), thermisch oder radikalisch eine Vernetzung der organischen Gruppen bewirkt werden. Bevorzugt ist eine photo-/redoxinduzierte Vernetzung. Hierfür eignen sich vor allem C=C-doppelbindungshaltige oder epoxydgruppenhaltige Reste, die unter Ausbildung von C-C-Ketten einer Polymerisationsreaktion (englisch: addition polymerization oder chain growth polymerization) zugänglich sind. Beispiele hierfür sind Acrylgruppen, insbesondere Acrylatgruppen, Methacrylgruppen, insbesondere Methacrylatgruppen, sowie Norbornenylgruppen oder Derivate davon. Durch das Vorhandensein eines anorganischen neben einem organischen Netzwerk sind derartige Materialien äußerst stabil. Häufig sind sie transparent, was für die Zwecke der Erfindung natürlich von Nutzen ist. Durch den Anteil an organischen, meist nicht reaktiven Gruppen (wie Alkylgruppen) und/oder die Länge/Form der organischen Gruppen (z. B. durch Wahl zwischen geradkettigen, verzweigten und cyclischen Gruppen) lässt sich die Flexibilität der Membran steuern. Flexible Membranen sind bevorzugt; man erhält sie häufig, wenn raumgreifende organische Reste vorhanden sind wie z. B. Norbornenylreste, deren organische Polymerisation (in Form einer ringöffnenden Methathese-Polymerisation, ROMP) einen der beiden Ringe unangetastet lässt. So sind Membranen, die unter (teilweiser) Verwendung von norbornenylhaltigen Silanen erzeugt wurden, flexibler als Membranen, die ohne solche Silane, sondern stattdessen unter Verwendung von (meth)acrylathaltigen Silanen erzeugt wurden. Reaktive Gruppen können für weitere Vernetzungen (beispielsweise im Falle der Anwesenheit von thiolhaltigen Gruppen, die mit C=C-Doppelbindungen Thiol-en-Additionen eingehen können), die Steuerung der Polarität für eine optimale Membranfunktion (zum Zwecke einer kontrollierten Diffusion der α-Amylase) oder eine Oberflächenmodifikation genutzt werden, zum Beispiel zum Zweck, die Kompatibilität mit dem benachbarten Iod-Stärke- bzw. Iod-Amylose-Komplex zu verbessern. Hierfür eignen sich vor allem Hydroxygruppen, manchmal aber auch Gruppen mit einer Säurefunktionalität wie Carbonsäuregruppen (-COOH). Die Anzahl der hydrolytisch kondensierbaren Gruppen pro Silicium steuert die Stärke/Dichte und Art des anorganischen Netzwerkes: Silane mit drei hydrolytisch kondensierbaren Gruppen (ggf. stattdessen teilweise oder vollständig mit Hydroxygruppen, die ebenfalls eine Kondensationsreaktion eingehen können) ergeben ein relativ enges, dichtes anorganisches Netzwerk aus Si-O-Si-Gruppen. Gegebenenfalls kann ein Teil der Siliciumatome im Polykondensat durch Fremd-Metallatome ersetzt sein. Dies gelingt z. B. durch den Zusatz entsprechender hydrolytisch kondensierbarer Übergangsmetallverbindungen zu dem oder den hydrolytisch kondensierbaren Silanen, beispielsweise von Titanalkoxid oder Zirkonalkoxid, wobei ein sogenanntes Kieselsäureheteropolykondensat entsteht, also ein Kieselsäurepolykondensat, das neben Silicium andere Metallkationen enthält. Aus Silanen mit zwei hydrolytisch kondensierbaren Gruppen bzw. OH-Gruppen entstehen Ketten und Ringe, und aus Silanen mit nur einer hydrolytisch kondensierbaren bzw. OH-Gruppe Dimere. Selbstverständlich lassen sich auch Gemische einsetzen.
Dem Fachmann ist eine sehr große Anzahl von organisch vernetzbaren und organisch nicht vernetzbaren Kieselsäure(hetero)polykondensaten sowie deren Herstellung bekannt, unter denen er die spezifisch gewünschten Materialien auswählen kann, beispielsweise aus DE 4416857 C1 ; DE 10132654 A1 ; DE 10349766 A1 ; DE 102005018059 A1 ; DE 102005018351 A1 ; DE 102011054440 A1 ; DE 102011050472 A1 ; DE 102011053865 A1 .
Zur Optimierung der Porosität und zum Erzielen einer hohen Abrasionsresistenz ist der Einsatz von Materialien, die sowohl anorganisch als auch organisch polymerisiert sind, bevorzugt. Über die Anzahl der vorhandenen organisch polymerisierbaren Gruppen kann die Vernetzungsdichte des organischen Netzwerks eingestellt und auch damit beispielsweise die Flexibilität beeinflusst werden, während das Vorhandensein eines dichten anorganischen Netzwerks für eine gute Abrasionsstabilität sorgt.
Für die Erzeugung von Poren können übliche Methoden eingesetzt werden, darunter das oben im Zusammenhang mit rein organischen Membranen erwähnte "Gel Template Leaching". Beispielsweise kann die Polymerisation in Gegenwart fester Partikel durchgeführt werden, deren Durchmessern in etwa dem gewünschten Porendurchmesser entspricht. Diese Partikel werden nach Vernetzung der Membranmaterialien wieder entfernt, beispielsweise ausgewaschen. Als Material für derartige Partikel sind beispielsweise anorganische, wasserlösliche Salze wie NaCl oder organische, mit einem organischen Lösungsmittel auswaschbare Partikel wie Latexpartikel geeignet.
In allen Fällen werden biokompatible Materialien eingesetzt, die die unabdingbare toxikologische Unbedenklichkeit bei langfristigem Einsatz im Mundmilieu gewährleisten.
Als Aufnahme eignet sich entweder ein mit einer Öffnung versehener Körper, der mit dem kieferorthopädischen Gerät verbunden, z. B. an einer hierfür vorgesehenen Stelle befestigt werden kann. Besteht die Aufnahme aus einem Kunststoffmaterial, kann dies beispielsweise über einen "Klick"-Verschluss erfolgen. Alternativ kann das kieferorthopädische Gerät z. B. eine Führung aufweisen, in die die Aufnahme in Form eines "Fensters" aus Glas oder aus Kunststoff eingeschoben werden kann. Der Vorteil solcher Ausgestaltungen liegt darin, dass die Aufnahme reversibel mit dem kieferorthopädischen Gerät verbunden ist, so dass sie von diesem getrennt werden kann, beispielsweise um neu befüllt und ggf. verschlossen zu werden. Alternativ können andere Materialien wie Glas etc. eingesetzt werden, wobei es in allen Fälle vorteilhaft ist, transparente Materialien einzusetzen, um den Iod-Stärke- bzw. Iod-Amylose-Komplex leicht optisch begutachten zu können. Anstelle eines eigenständigen Körpers kann die Aufnahme jedoch auch in das kieferorthopädische Gerät integriert oder als Bestandteil dieses Geräts integral ausgebildet sein, wobei das genannte Gerät optional zumindest im Bereich der Aufnahme ebenfalls weitgehend oder völlig transparent ist.
In allen Fällen, in denen transparente Materialien für die Aufnahme verwendet werden, kann die Beobachtung des Iod-Stärke-Komplexes von einer beliebigen Stelle aus erfolgen. Wenn die Aufnahme jedoch aus nicht-transparentem Material gebildet ist, sollte die Öffnung der Aufnahme bzw. die Membran, durch die diese Öffnung verschlossen ist, leicht einsehbar und ggf. transparent sein, damit der behandelnde Zahnarzt die "Compliance" des Patienten unaufwändig beurteilen kann und auch der Patient motiviert ist, das kieferorthopädische Gerät im gewünschten Zeitumfang zu tragen.
In 1 ist die Erfindung rein schematisch gezeigt. Die Aufnahme ist in diesem Versuchsaufbau ein "Fensterrahmen" aus transparentem Glas oder Kunststoff, in den ein Streifen aus der erfindungsgemäßen Masse als Farbindikator eingefüllt ist, die Amylose, ggf. Amylopektin, Iod/Iodid sowie optional einen Filmbildner oder Stabilisator enthält. Die nach oben weisende Öffnung des Fensters ist mit einer Membran (hier als "Membranschicht" bezeichnet) verschlossen. Gezeigt wird die dunkelblau/violette Masse vor dem Kontakt mit Speichel (oben) und nach dem Entfärben durch den Kontakt mit im Speichel vorhandener α-Amylase (unten).
Die Besonderheiten der Erfindung liegen zum einen im einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Farbindikatorsystems und in der schnellen, visuell einfachen und exakten Auswertung von Kontrollergebnissen. Zum anderen weisen erfindungsgemäße Farbindikatorsysteme aufgrund ihres Funktionsprinzips (nur in Mundmilieu) eine hohe Fälschungssicherheit auf, da sie keinen Einflüssen von äußeren Faktoren wie Magnetfeld, Temperatur, Feuchtigkeit und dergleichen unterworfen sind.
Die Farbindikatorsysteme können in verschiedensten kieferorthopädischen und kieferchirurgischen Therapiegeräten, beispielsweise in kieferorthopädischen Zahnkorrektur-Schienen eingesetzt werden.
Die technische Bedeutung besteht in der Bereitstellung eines neuartigen innovativen enzymgesteuerten Kontrollsystems (Farbindikator), das ausschließlich unter oralen Bedingungen funktioniert und äußeren Einflüssen widersteht, um die exakte Tragedauer bestimmen zu können. Dies ist besonders wichtig bei kieferorthopädischen Schienen, die eine Fehlstellung von Zähnen korrigieren sollen. Die Erfolgsquote der Therapieverfahren kann dadurch signifikant gesteigert werden. Der Behandler kann durch die Kenntnis der genauen Tragedauer die kieferorthopädischen Schienen bei jeder Sitzung entsprechend nachstellen (Aktivierung). Ein zu starkes Aktivieren und der damit verbundenen zu starken Belastung und möglichen Schädigung des Zahnhalteapparates wird vermieden.
Nachstehend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
1. Herstellung von Indikatorstreifen
Zur Herstellung von Indikatorstreifen werden 28,5 g Stärke in 225 g dest. Wasser suspendiert und mit 25,75 g einer 50%igen wässrigen Glycerinlösung versetzt. Unter Rühren bei 90°C werden 0,5g Kaliumiodid und 0,25g Iod zugegeben. Die erhaltene tiefblaue Mischung wurde zu Nassfilmen durch Formgießen (z. B. L × B × H: 2 × 0,6 × 0,03 cm) hergestellt und bei 60°C getrocknet.
2. Herstellung von Membranen

2a. Zur Herstellung von Membranen werden 32 Gew.-% Natriumchloridpartikel (Durchmesser: 40–68 µm) in eine Harzmischung bestehend aus 50 Gew.-% Harz I mit 1 Gew.-% Lucirin TPO und 50 Gew.-% Harz II mit 26,6 Gew.-% Trimethylolpropantri(3-mercaptopropionat) und 0,5 Gew.-% Lucirin TPO eingearbeitet und mit etwas Wasser (1g Harzmischung und 2–3 Tropfen Wasser) verrührt. Die Harzmischung wird durch Pressen zwischen 2 PET-Folien zu dünnen Membranen geformt und photochemisch mittels einer Blaulichtlampe ausgehärtet. Anschließend werden die Natriumchloridpartikel mit Wasser wieder ausgewaschen. Die erhaltenen, flexiblen Membranen weisen auf der Oberfläche Porenöffnungen von ≤ 10 µm auf. Der Durchlässigkeitstest mit Wasser war positiv.
2b. Zur Herstellung von weiteren Membranen werden 30 Gew.-% Natriumchloridpartikel (Durchmesser: 125–160 µm) in Harz I mit 1 Gew.-% Lucirin TPO eingearbeitet. Die Harzmischung wird durch Pressen zwischen 2 PET-Folien zu dünnen Membranen geformt und photochemisch mittels einer Blaulichtlampe ausgehärtet. Anschließend werden die Natriumchloridpartikel mit Wasser wieder ausgewaschen. Die erhaltenen Membranen sind hart und spröde. Der Durchlässigkeitstest mit Wasser war positiv.

3. Aufbau eines Indikatorsystems
Zum Aufbau eines Indikatorsystems wurden unter Punkt 1. erhaltene Indikatorstreifen plan auf Glasobjektträger gelegt und mit den verschiedenen, unter Punkt 2a. und 2b. hergestellten Membranen zugedeckt. Anschließend wurde jede Membran entlang der Kante mit dem jeweiligen Glasobjektträger dicht verklebt, sodass der Farbindikatorstreifen nur durch die Membran hindurch für die Speichelflüssigkeit/ α-Amylase erreichbar war. 2 ist eine schematische Darstellung des erhaltenen Indikatorsystems. Diese Ausgestaltung ist im oberen Teil der Figur auf der linken Seite von oben, auf der rechten Seite im Querschnitt gezeigt. Im Querschnitt gezeigt ist sodann im unteren Teil der Figur die Einwirkung der α-Amylase des Speichels: Der linke Teil der Figur zeigt den Anfangszustand, der rechte Teil die Vorrichtung mit teilweise ausgeblichener Farbindikatorschicht.
Funktionstest eines unter Punkt 3. aufgebauten Indikatorsystems
Zur Überprüfung der Funktion wurde ein Indikatorsystem in einer künstlichen Speichelflüssigkeitskammer bei einer Temperatur von 37°C im Trockenschrank gelagert. Dies ist in 3 schematisch dargestellt. Die Ausgestaltung der 3 zeigt ein Schicht wie in 1 dargestellt, jedoch mit gestaffeltem Farbindikatorsystem: In einem ersten, links angeordneten Streifenteil A ist die Konzentration am geringsten, im zweiten, mittleren Teil B ist sie höher als im Teil A, und im dritten, rechten Teil C ist sie am höchsten. Täglich wurde die Farbveränderung des Indikatorstreifens visuell überprüft. Gezeigt wird die Masse vor dem Kontakt mit Speichel (in der Mitte der Figur und links unten; dort bezeichnet als "Ausgangssituation") und beim abschnittsweisen Ausbleichen durch den Abbau der Amylose durch die im Speichel vorhandene α-Amylase über die Zeit (unten rechts). Mit der Membran aus Punkt 2a. konnte nach etwa 73 Std. die vollständig Entfärbung (von tiefblau zu farblos) festgestellt werden. Die vollständige Entfärbung des Farbindikatorstreifens, der unter der Membran aus Punkt 2b. angeordnet war, konnte nach ca. 24 Std. festgestellt werden.
4. Synthese der eingesetzten Harze I und II
4.1 Harz I (hergestellt wie in DE 4416857 offenbart)
Zur Vorlage von 125,0 g (0,503 mol) 3-Glycidyloxypropylmethyldiethoxysilan werden unter trockener Atmosphäre Triphenylphosphin als Kat., 2,6-bis(1,1-dimethylethyl)-4-methylphenol (BHT) als Stabilisator und anschließend 47,35 g (0,550 mol) Methacrylsäure zugetropft und bei 80°C gerührt (ca. 24 h). Die Umsetzung kann über die Abnahme der Carbonsäurekonzentration mittels Säuretitration sowie dem Epoxidumsatz mittels Epoxidtitration/NMR verfolgt werden. Der Epoxid- bzw. Carbonsäureumsatz liegt bei ≥ 99 % bzw. ≥ 89 % (→ da 1:1,1 Carbonsäureüberschuss). Nach Zugabe von Essigester (1000 ml/mol Silan) und H₂O zur Hydrolyse mit HCl als Kat. wird bei 30°C gerührt. Die Aufarbeitung erfolgt nach mehrtägigem Rühren durch Ausschütteln mit wässriger NaOH und Wasser und Filtration über hydrophobierten Filter. Es wird zunächst abrotiert und anschließend mit Ölpumpenvakuum abgezogen. Es resultiert ein flüssiges Harz mit einer Viskosität von ≈ 3–5 Pa·s bei 25°C. Das Produkt enthält keine freien Carboxylgruppen. 4.2 Harz II (hergestellt wie in WO 2013/053693 A1 offenbart)
Zur Vorlage von 80,0 g (0,30 mol) von Harz I werden unter Rühren bei ca. 90°C ca. 45,5 g (0,69 mol) Cyclopentadien (CP) (durch Spaltung von Dicyclopentadien frisch hergestellt) zudestilliert und danach noch ca. 1–2 h bei 90°C weiter gerührt. Die Umsetzung kann mittels NMR sowie über die Abnahme der ν(C=C, Methacryl)-Bande (1639 cm^–1) sowie die Bildung und Zunahme der ν(C=C, Norbornenyl)-Bande (1574 cm^–1) mittels Raman-Spektroskopie verfolgt werden. Die flüchtigen Bestandteile wie z. B. unumgesetztes Dicyclopentadien werden im Ölpumpenvakuum bei Temperaturen bis zu 90°C abgezogen. Es resultiert ein flüssiges Harz mit Viskosität von ca. 53–110 Pa s bei 25°C. Eine weitere Aufarbeitung ist in der Regel nicht erforderlich.

Claims

Farbindikatorsystem auf Basis der Iod-Stärke-Reaktion zur Tragekontrolle für kieferorthopädische Geräte, umfassend eine mit einer Öffnung versehene Aufnahme, in der sich eine Schicht oder Masse befindet, welche einen farbigen, entfärbbaren Komplex aus Amylose und Iod/Iodid enthält oder hieraus besteht, wobei die Öffnung der Aufnahme durch eine Membran verschlossen ist, durch die Amylase hindurchtreten kann.
Farbindikatorsystem nach Anspruch 1, worin die Schicht oder Masse weiterhin Amylopektin und/oder einen Filmbildner oder Stabilisator enthält.
Farbindikatorsystem nach Anspruch 2, worin der Filmbildner oder Stabilisator ein Weichmacher ist.
Farbindikatorsystem nach Anspruch 3, worin der Filmbildner oder Stabilisator ausgewählt ist unter Ethylvinylalkohol, Polyvinylalkohol und Glycerin.
Farbindikatorsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die Membran aus einem organischen, einem keramischen oder einem anorganisch-organischen Material gebildet ist.
Farbindikatorsystem nach Anspruch 5, worin das anorganisch-organische Material ein organisch modifiziertes Kieselsäurepolykondensat oder Kieselsäureheteropolykondensat ist.
Farbindikatorsystem nach Anspruch 6, worin das organisch modifizierte Kieselsäurepolykondensat oder Kieselsäureheteropolykondensat organisch vernetzte Gruppen aufweist.
Farbindikatorsystem nach Anspruch 7, worin die organische Vernetzung auf der Polymerisation von (Meth)acrylatgruppen und/oder Norbornenylgruppen beruht.
Farbindikatorsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die Aufnahme ein mit einer Öffnung versehener Körper ist, der an einem kieferorthopädischen Gerät befestigt werden kann.
Farbindikatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin die Aufnahme ein in das kieferorthopädische Gerät integrierter oder mit diesem integral verbundener Bestandteil dieses Geräts ist.