Intelligente materialen voor de alignertherapie

Met aligners van vormgeheugeneiwitten kan het aantal orthodontische spalken tijdens een therapie worden verminderd. © Fraunhofer IAP / Aligners gemaakt van vormgeheugeneiwitten kunnen het aantal orthodontische spalken in het therapeutische proces verminderen. © Fraunhofer IAP

Kliniсh effectief, op maat gemaakt, onopvallend en comfortabel – de eisen aan aligners voor de therapie van tandmisstanden zijn hoog. Zo ook aan het materiaal van de correctieschijven. Een team van het Fraunhofer-Instituut voor Toegepaste Polymeronderzoek IAP in het Potsdam Science Park heeft nu samen met het Universitair Klinikum Düsseldorf een hoogfunctioneel materiaal ontwikkeld dat geheel nieuwe behandelconcepten mogelijk maakt en de kosten verlaagt. Daarbij vertrouwden de wetenschappers op polymeren met vormgeheugeneigenschappen.

Het nieuwe materiaal combineert effectieve tandbewegingen met efficiënter gebruik van hulpbronnen. »Aligners van vormgeheugende polymeren maken het mogelijk om de krachtwerking op de tanden te controleren en zo de therapie patiëntgerichter te maken«, legt Dr. Thorsten Pretsch, hoofd van het onderzoeksgebied Synthese en Polymerentechniek bij het Fraunhofer IAP, het concept uit. »Ons aligner maakt het mogelijk om meerdere stappen van de tandcorrectie te realiseren«, benadrukt Pretsch. De voordelen: het verminderen van het aantal orthodontische aligners tijdens een behandeling, het vermijden van overmatig materiaalafval en het verlagen van de behandelingskosten.

Memory-effect voor tandcorrectie

Vormgeheugende polymeren behoren tot de slimme materialen. Van deze kunststoffen kunnen objecten worden vervaardigd die hun vorm op een vooraf precies vastgestelde manier veranderen. Een externe prikkel, zoals warmte, activeert het vormgeheugeneffect. De schuif verandert langzaam van vorm en opent zo de mogelijkheid om verkeerd uitgelijnde tanden in de gewenste positie te bewegen.

Dubbel werkend alignermateriaal

De projectleider bij het Fraunhofer IAP, M. Sc. Dennis Schönfeld, synthetiseerde voor de toepassing in de aligner-therapie een thermoplastisch polyurethaan (TPU), dat reageert op zowel warmte als op lichaamstemperatuur water. Afhankelijk van de temperatuur of de hoeveelheid water die het materiaal opneemt, kan de vormverandering van de aligner worden opgedeeld in meerdere stappen. De resultaten van een testreeks met modeltandkronen bewijzen de functionaliteit van het nieuw ontwikkelde TPU: bij thermische behandeling realiseerde het team de beweging van een snijtand tot maximaal 3,5 millimeter. Daarnaast lukte het om in lichaamstemperatuur water de vorm van de schuif in een vooraf bepaalde periode geleidelijk te veranderen. In de toekomst kunnen binnen de mondholte met behulp van speeksel het vormgeheugeneffect worden opgewekt en meerdere correctiestappen met één schuif worden gerealiseerd. De slimme keuze van de materiaaldikte en het stapsgewijs verwarmen van de aligner maken het bovendien mogelijk om de krachtwerking op de tanden te controleren. »Voor orthodontische toepassingen bieden juist deze bijzonderheden een reeks unieke voordelen in de aligner-therapie – van kleinere vormaanpassingen door gecontroleerde verwarming tot het verminderen van het aantal behandelingsstappen«, benadrukt Pretsch.

Duurzaam vormgeven van aligner-therapie

Momenteel bestaan aligners uit materialen die onrealistisch sterke drukkrachten veroorzaken. Om een tandmisstand te corrigeren zonder het omliggende weefsel te beschadigen, zijn daarom veel kleine behandelingsstappen nodig. Voor elke afzonderlijke therapiefase wordt een uitneembare, doorzichtige schuif gemaakt. Studies adviseren om de tandbeweging te beperken tot maximaal 0,2 millimeter per aligner. De op maat gemaakte schuiven veroorzaken hoge behandelingskosten. Afhankelijk van de ernst van de afwijking zijn gemiddeld dertig tot zestig aligners nodig om de tanden gedurende meerdere maanden in de gewenste positie te brengen. De capaciteit van het nu nieuw ontwikkelde polymeer om zijn vorm in vooraf vastgestelde, kleine en gecontroleerde stappen te veranderen, heeft het potentieel om het aantal benodigde fasen bij een orthodontische behandeling te verminderen in vergelijking met behandelingen met conventionele alignermaterialen.

Toekomsttechnologie voor dentale therapie

Tot nu toe is het alignermateriaal dat de onderzoekers van het Fraunhofer IAP hebben ontwikkeld getest op modeltandkronen. Voor optimalisatie voor klinisch gebruik staat verdere materiaalkunde centraal. Als basis voert de Polikliniek voor Orthodontie van het Universitair Klinikum Düsseldorf gedetailleerde biomechanische analyses uit. »Ons onderzoek wijst erop dat het nieuw ontwikkelde materiaal een aanzienlijk hogere efficiëntie vertoont, wat grote voordelen betekent voor de orthodontische behandeling«, meldt Professor Drescher van het Universitair Klinikum Düsseldorf. Het team is optimistisch dat de innovatieve technologie ook op in vivo-toepassingen kan worden overgedragen.

Subsidie

Het project »Vormgeheugende polymeren voor de orthodontie« 20400 BG van de FGW Onderzoeksvereniging voor Gereedschappen en Materialen e. V. werd gefinancierd via de AiF Samenwerkingsverband Industriële Onderzoeksverenigingen »Otto von Guericke« e.V. in het kader van het programma ter bevordering van industrieel gezamenlijk onderzoek (IGF) door het Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz op basis van een besluit van de Duitse Bondsdag.

De resultaten van het project zijn gepubliceerd in het tijdschrift »Materials«, Special Issue »Materials and Techniques in Dentistry, Oral Surgery and Orthodontics«.