Zahnerosion durch Energy Drinks

Kantonschule Ausserschwyz
Maturaarbeit 2011
Zahnerosion durch
Energy Drinks
Autorin oder Autor, Klasse
Géraldine Vetsch, 4f
Adresse
Im Goldiger 7, 8852 Altendorf
Betreuende Lehrperson
Herr Marc Steinegger
Inhaltsverzeichnis
1. Abstract ............................................................................................................................................... 2
2. Vorwort ............................................................................................................................................... 2
2.1
Danksagung ............................................................................................................................. 3
3.Einleitung.............................................................................................................................................. 4
3.1 Hypothese ..................................................................................................................................... 4
4. Theorieteil ........................................................................................................................................... 5
4.1 Erosion ........................................................................................................................................... 5
4.2 Aufbau eines Zahns ....................................................................................................................... 6
4.3 Speichel ......................................................................................................................................... 7
4.4 Vergleich von Rinder- und Menschenzähnen ............................................................................... 7
4.5 Red Bull.......................................................................................................................................... 7
5.Matrial und Methoden ......................................................................................................................... 9
5.1 Experiment ETH ............................................................................................................................. 9
5.2 Experiment Zentrum für Zahnmedizin UNI ................................................................................. 11
5.3 Sputtergerät ................................................................................................................................ 14
5.4 Rasterelektronenmikroskop ........................................................................................................ 15
6. Resultate............................................................................................................................................ 16
6.1 Experiment ETH ........................................................................................................................... 16
6.2 Experiment Zentrum für Zahnmedizin UNI ................................................................................. 16
6.2.1 Elektroskopische Aufnahmen der ETH-Zähne ...................................................................... 16
6.2.2 Auswertungen Titration ....................................................................................................... 17
6.2.3 Elektronenmikroskopische Aufnahmen am Zentrum für Zahnmedizin ............................... 19
7. Diskussion ...................................................................................................................................... 21
7.1 Beantwortung der Fragestellung................................................................................................. 22
7.2 Aktueller Wissensstand ............................................................................................................... 22
7.3 Reflexion ...................................................................................................................................... 23
8. Glossar ............................................................................................................................................... 24
9. Quellenverzeichnis ............................................................................................................................ 25
10. Anhang............................................................................................................................................. 26
10.1 Eigenständigkeitserklärung ....................................................................................................... 26
10.2 weitere Bilder zum Feldversuch ................................................................................................ 27
1
1. Abstract
In dieser Arbeit untersuche ich den Zusammenhang zwischen dem Konsum von Energy Drinks und
der Zahnerosion. Die Zahnerosion ist eine fast unbekannte Zahnkrankheit, die jedoch sehr häufig
vorkommt. Die Erosion wird durch einen chemisch bedingten Abbau hervorgerufen, der durch Säure
verursacht wird. Das erreicht man durch säurehaltige Ernährung, wie zum Beispiel durch das Trinken
eines Energy Drinks. Da der pH-Wert eines Energy Drinks sehr tief liegt, löst er eine Erosion aus.
Jedoch noch viele weitere Faktoren beeinflussen eine Erosion.
Bei den Untersuchungen wurden Rinderzähne in Red Bull Original und Red Bull sugarfree für 30
Minuten eingelegt. Wobei Red Bull stellvertretend für alle Energy Drinks steht und die 30 Minuten
etwa der Zeit entspricht, mit der die Zähne bei einem zwei Mal wöchentlichen Konsum während
einem Jahr mit Red Bull in Berührung kommen.
Die Erosion wurde mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops festgestellt. Das Elektronenmikroskop
bietet eine hohe Vergrösserung, die man zur Untersuchung von Zähnen benötigt. Am Schluss der
Elektronenmikroskopie erhält man Bilder, die man auswerten muss, um ein Ergebnis zu erhalten.
Diese Bilder beweisen, das Red Bull Original und Red Bull sugarfree eine Zahnerosion auslösen.
2. Vorwort
Als der Startschuss für die Themenwahl der Maturaarbeit fiel, wusste ich nicht, wo ich beginnen
sollte. Deshalb stöberte ich ein wenig im Internet. Als ich auf die Fernsehsendung „Kassensturz“
stiess, fiel mir ein Beitrag1 ein, den ich im Jahre 2009 im Fernseher gesehen hatte. Der Beitrag
befasste sich mit Süssgetränken, die so sauer sind, dass sie den Zahnschmelz angreifen und eine
sogenannte Zahnerosion hervorrufen.
Das erste Getränk, das mir in den Sinn kam, war der Energy Drink. Der Energy Drink ist das
Kultgetränk des Jahrhunderts, denn jeder kennt ihn und jeder hat schon einmal davon gekostet.
Vielen Jugendlichen dient der Energy Drink als Frühstücksersatz. Aber nicht nur Jugendliche haben
Interesse am Kultgetränk entwickelt, der Hipe ist schon längst auf die Erwachsenen übergesprungen.
Im Jahr 2007 wurden 3.5 Milliarden Dosen2 in 146 Ländern verkauft - die Zahlen sprechen für sich.
Ein Grund dafür bildet sicher auch das Image von Red Bull als Wachmacher. Ähnlich wie Kaffee
enthält es Koffein. Zudem konsumiert man den Energy Drink heutzutage nicht mehr einfach so,
sondern mischt ihn auch mit Alkohol. Es gibt sogar Personen, die bis 5 Dosen Energy Drink täglich
konsumieren - mich fasziniert dieser Bann, den dieses Getränk ausübt.
Als ich den Entschluss gefasst hatte, meine Maturaarbeit über die Zahnerosion durch Energy Drinks
zu schreiben, war die nächste Aufgabe, die richtige Begleitperson zu finden. Da das Thema biologisch
ausgerichtet ist, war es naheliegend, dass ich meinen eigenen Biologielehrer, Herr Kümin, anfragte.
Da er aber schon einigen Personen zugesagt hatte und er sich nicht besonders gut mit Energy Drinks
identifizieren kann, sagte er mir leider ab.
1
http://www.videoportal.sf.tv/video?id=a3f52115-e610-4779-8e90-fb3337ce3a1b
http://www.wirtschaftsblatt.at/home/schwerpunkt/dossiers/europameister/red-bull-35-milliardenargumente-fuer-den-dosen-king-326189/index.do
2
2
Darum ging die Suche weiter und ich schrieb Herr Steinegger (ebenfalls Biologielehrer an der KSA)
ein Mail. Darin erklärte ich Ihm genau, was ich in meiner Arbeit behandeln will und ob er mich
während meiner Maturaarbeit begleiten könnte. Ob der Zusage war ich überglücklich.
2.1
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich die Gelegenheit wahrnehmen, um mich bei all jenen zu bedanken, die
mich bei meiner Maturaarbeit unterstützt haben.
Mein erster und grösster Dank geht an Marc Steinegger, der mir stets mit Rat und Tat zur Seite
stand. Dank seiner Hilfe, konnte ich eine passende Methode ausfindig machen, um die Zahnerosion
zu messen. Ohne ihn hätte ich meine Maturaarbeit nicht in dieser Ausführung abgeben können. Ich
danke ihm von ganzem Herzen für seine Leistung.
Grossen Dank möchte ich auch Herrn Peter Wägli aussprechen, der sich für mich eingesetzt hat,
damit ich die Möglichkeit hatte, meinen Feldversuch professionell an der ETH in Zürich
durchzuführen. Trotz den intensiven Bemühungen von ihm und seinem Team, ist es uns leider nicht
gänzlich gelungen, das gewünschte Ergebnis vollkommen zu erzielen. Trotzdem konnte ich sehr viele
Eindrücke mitnehmen, die mir im weiteren Verlauf von grossem Nutzen waren. Vielen Dank dafür!
Frau Anette Wiegand unterstützte mich fortwährend, indem Sie mir im Verlauf meiner Feldarbeit an
der ETH wertvolle Informationen über den Ablauf meines Experimentes ablieferte. Sie war meine
Ansprechperson im Gebiet, der Rasterelektronenmikroskopie von Zähnen, da sie damit sehr vertraut
ist. Sie hat mir Frau Beatrice Sener vorgestellt und somit meinen zweiten Feldversuch ermöglicht.
Mit Beatrice Sener konnte ich im Zentrum der Zahnmedizin in Zürich den zweiten Feldversuch in
Angriff nehmen. Dank Ihren ausführlichen Erläuterungen, hatte ich nie Probleme, diesen planmässig
durchzuführen. Dies war für Sie ein grosser Zeitaufwand. Dessen bin ich mir bewusst und möchte
mich deshalb herzlichst bei Ihr bedanken.
Dank der Hilfe von Dr. Martin Meier, Zahnarzt in Siebnen, sowie langjähriger Freund unserer Familie,
hatte ich auch schnell die passenden, menschlichen Zähne, um meinen Feldversuch an der ETH in
Zürich durchführen zu können. Dafür bin ich Ihm zu grossem Dank verpflichtet.
Das Schlusswort möchte ich gerne meiner Familie widmen, die mich wie immer unterstützt,
motiviert und vorangetrieben hat. Bei Ihnen habe ich stets die Kraft und den Rückhalt gefunden, um
meine Arbeit, auch in schwierigen Zeiten, in bester Motivation niederzuschreiben.
3
3.Einleitung
Unsere Zähne dienen uns seit jeher zur Verkleinerung der Nahrung. Alle Säugetiere nutzen dieses
Medium um Nahrung aufzunehmen. Man kann sich die Welt ohne Zähne gar nicht vorstellen. Den
ohne diese, könnten wir nur breiartiges aufnehmen und das ist jetzt wirklich nicht das höchste der
Gefühle. Damit wir weiterhin alle Köstlichkeiten essen und auch kauen können, müssen wir unsere
Zähne pflegen. Doch alle sprechen immer nur davon, dass der Zucker schadet und man sich vor
Karies in acht nehmen muss. Das stimmt alles! Aber es gibt noch weit mehr Dinge die bei unseren
Zähnen Schaden anrichten. Ein Beispiel davon ist die Erosion, welche durch Säure verursacht wird.
Auch ich habe vor meiner Maturaarbeit nicht allzu viel über die Zahnerosion gehört und darum
möchte ich Ihnen zeigen, was ein Getränk (anhand des Beispiels Red Bull) bei unseren Zähnen
anrichten kann.
3.1 Hypothese
Fragestellung:
Rufen Red Bull Original und Red Bull sugarfree bei durchschnittlichem Konsum eine Zahnerosion
hervor und wenn ja, welches der Beiden ist schädlicher?
Ziel:
Mein Ziel ist es, in meiner Feldarbeit festzustellen, ob Red Bull Original und Red Bull sugarfree eine
Zahnerosion hervorrufen. Ein weiteres Ziel, welches ich erreichen möchte ist, ob sich Unterschiede
zwischen dem Red Bull Original und dem Red Bull sugarfree feststellen lassen. Darüber hinaus
möchte ich auch die Ursachen, warum überhaupt eine Zahnerosion stattfindet recherchieren und
erklären können.
Erwartungen:
Meine Hypothese ist, dass sich bei beiden Getränken eine Erosion entwickelt. Ich gehe davon aus,
dass das Red Bull Original eine stärkere Erosion hervorruft als das Red Bull sugarfree. Da der pHWert des Red Bulls Original tiefer liegt, als das des Red Bull sugarfrees.
Umsetzung:
Der Feldversuch wurde an der ETH und dem Zentrum für Zahnmedizin durchgeführt. Wobei folgende
Arbeitsschritte vollzogen wurden: Der pH-Wert musste exakt bestimmt werden.
Eine Titration wurde durchgeführt um den Gesamtsäuregehalt pro Liter herauszufinden. Die Zähne
wurden in die Energy Drinks eingelegt. Anschliessend konnten mit Hilfe eines
Rasterelektronenmikroskops Aufnahmen getätigt werden, welche die Ergebnisse visualisieren.
4
4. Theorieteil
Nach einer Standortbestimmung hatte ich mich entschieden, wie die Feldarbeit ablaufen würde. Die
Maturaarbeit handelt von der Zahnerosion durch Energy Drinks. Um diese Zahnerosion festzustellen
entschied ich mich für folgende Feldarbeit: Menschliche Zähne werden für 30 Minuten in ein Red
Bull original oder in ein Red Bull sugarfree eingelegt. Da die Arbeit zu komplex geworden wäre,
verwendete ich nur zwei Lösungen. Um die Ergebnisse mit einem gesunden Zahnschmelz zu
vergleichen, hat man jeweils immer ein Kontrollprodukt hergestellt, dass man nicht in die Lösung
eingelegte.
4.1 Erosion
„Das Thema Zahnabnutzung und Zahnerosion ist den meisten Menschen bisher wenig bekannt. Viele
Patienten merken nicht, dass sie von Zahnerosion betroffen sind, da sich der Schmelz flächenhaft
auflöst und suchen häufig den Rat ihres Zahnarztes erst dann, wenn der Zahnschmelz-Abbau ein
fortgeschrittenes Stadium erreicht hat. Infolge der gestiegenen Lebenserwartung der Zähne in
Verbindung mit der modernen Ernährungsweise wächst die Anzahl von Menschen, die Zeichen von
Zahnabnutzung und Zahnerosion aufweisen.“ Dr. med. dent. Frank Gonser
Im Unterschied zu Karies wird die Zahnkrankheit nicht durch Bakterien hervorgerufen sondern durch
säurebedingten, chemischen Abbau von Zahnschmelz. Im Mund herrscht normalerweise ein
neutraler pH-Wert von 7. Sinkt der Wert durch Übersäuerung, beginnt der Abbau des
Zahnschmelzes. Aufgrund der Aufweichung
des Zahnschmelzes durch die Säure,
können aus der Schmelzschicht
zunehmend Mineralien Mithilfe von
Speichel ausgewaschen werden. Der
Zahnschmelz kann durch diesen Prozess
den mechanischen Einflüssen nicht
standhalten und wird durch putzen mit der
Zahnbürste oder beim Essen immer stärker
abgenutzt. Dadurch kommt es zu einer
Abbildung 1
grossflächigen Abtragung der
Zahnhartsubstanz. Die Erosion oder Demineralisation genannt, schreitet immer dann fort, wenn der
pH- Wert im Mund unter 5.5 fällt. Dadurch verfärben sich die Zähne gelblich und sie werden nach
und nach durchscheinend, wie in der Abbildung 1 gezeigt. In einem späteren Stadium, tritt der
Verlust der Zahnhöcker auf den Kauflächen ein. Sobald das Zahnbein freiliegt reagieren die Zähne
empfindlich auf äussere Einwirkungen wie Hitze oder Kälte. Das Problem bei Erosionen ist, dass sie
irreversibel sind. Die Folgen von Erosionen können sich gravierend auswirken: Fehlstellungen,
Zahnwanderung und Abflachung des Gebisses, es kann bis zum Zahnverlust führen. Die einzige
Möglichkeit die Fortschreitung bei starker Erosion zu unterbinden, ist eine Überkronung. Wenn die
Erosion nur leicht vorhanden sein sollte, muss man die Ursache abklären und diese minimieren.
5
Die Erosion kann nicht nur durch falsche Ernährung zu Stande kommen, auch Erkrankungen wie
Reflux oder Bulimie spielen eine erhebliche Rolle. Medikamente die den Speichelfluss reduzieren,
können die Erosion begünstigen.3, 4
4.2 Aufbau eines Zahns
Der Zahnschmelz, befindet sich in der oberen Schicht des Zahnes, im Bereich der Zahnkrone. Der
Zahnschmelz besteht vor allem aus Calciumphosphat. Diese Substanz ist jedoch säurelöslich. Der
Zahnschmelz ist die härteste Substanz in unserem Körper. Betrachtet man den Zahnschmelz durch
das Rasterelektronenmikroskop, besteht er aus bandförmigen in Bündeln gruppierten Kristalliten. Da
der Zahnschmelz nicht von Nerven und Blutgefässen durchzogen ist, kann er nicht nachgebildet
werden. Darum ist eine Verminderung des Zahnschmelzes irreversibel. Durch zu häufiges und zu
kräftiges Bürsten mit der Zahnbürste, kann eine Abrasion des Zahnschmelzes und somit eine
Verminderung auf mechanischem Weg zu Folge haben. Der chemische Prozess durch säurehaltige
Nahrungsmittel führt beim Zahnschmelz zur Erosion.5
Direkt unter dem Zahnschmelz liegt das etwas
weichere Zahnbein (Dentin), das hauptsächlich
aus Mineralien, Eiweiss und Wasser besteht. Die
Blutgefässe und Nerven liegen im Zahnmark
(Pulpa), das sich unter dem Zahnbein befindet.
Mit feinen Fasern und der Wurzelhaut ist der
Zahn im Kieferknochen befestigt und durch
Blutgefässe und Nerven mit dem Körper
verbunden.6
Der Kieferknochen, der im Wurzelbereich vom
Wurzelfleisch umgeben ist, wird von Fasern
durchsetzt, die für den enormen Halt des Zahns
verantwortlich sind. Das Zahnfleisch im Bereich
des Zahnhalses verhindert das Eindringen von
Bakterien und Fremdkörpern in den
Halteapparat des Zahnes.7
Abbildung 2
3
http://www.passjournal.at/prophylaxe/uebersicht.php?we_objectID=24
4
http://www.lifeline.de/zahngesundheit/zahnaesthetik/erosionen/content-145420.html
5
http://de.wikipedia.org/wiki/Zahnschmelz
6
http://www.zahn-lexikon.com/index.php/a/2428-aufbau-des-zahne
7
http://digitale-folien.de/biologie/mensch/verdauen/zahn.html
6
4.3 Speichel
Der Speichel ist ein besonderer „Saft“ der vielfältigen Funktionen für die Mund- und Zahngesundheit
besitzt. Er schützt, säubert und regeneriert die Zähne. Der Speichel enthält durchschnittlich ca. 0.5%
gelöste Bestandteile. Bikarbonat und Phosphat neutralisieren die Säuren die durch die
Nahrungsmittel aufgenommen werden. Wenn jedoch Säuren längere Zeit auf die Zähne einwirken,
lösen sich Kalzium- und Phosphat Ionen aus der Zahnhartsubstanz. Hier kommt die
Reparaturfunktion des Speichels ins Spiel. Dieser spült neues Kalzium und Phosphat an die Zähne und
liefert ihnen damit die dringend benötigten Stoffe zu Remineralisation.
Die Pellikel bilden sich aus Muzinen und weiteren Proteinen. Sie schützen den Zahnschmelz vor
Erosion. Die Muzine helfen auch die Mundschleimhäute intakt und feucht zu halten. Erst durch sie
erhält der Speichel seine viskosen Eigenschaften.
Der Speichel bereitet aber auch die aufgenommenen Nahrungsmittel auf ihren Verdauungsprozess
vor. 8
4.4 Vergleich von Rinder- und Menschenzähnen
Rinderzähne sind ein geeignetes Ersatzmedium für Menschenzähne bei einem Experiment. Aufgrund
der grossen zur Verfügung stehenden Mengen, stellt der Rinderzahn eine attraktive Alternative dar.
Wenn man den Rinder- und den Menschenzahnschmelz unter dem Rasterelektronenmikroskop
vergleicht, haben beide ähnliche Kristallanordnungen, jedoch ist die Schmelzprismenanordnung
etwas unterschiedlich. Dies hat aber keine Einwirkungen auf Experimente die den Zahnschmelz
betreffen. Der Interprismatische Raum ist bei Rinderzähnen grösser, da der Zahn auch grösser ist als
der des Menschen. Die Abrasionswerte für Schmelz und Dentin ist bei Menschen- und Rinderzähnen
unterschiedlich, da die Rinder Wiederkäuer sind. Die chemische Zusammensetzung ist sehr ähnlich,
und folglich sind Rinderzähne eine sehr guter Ersatz für Experimente die den Zahnschmelz betreffen.9
4.5 Red Bull
Menschen konsumieren Coffein schon seit dem Steinzeitalter. Sie assen Blätter und Pflanzen die
diesen Stoff enthalten, sie merkten das diese Pflanzen eine Wirkung auf sie hatten, sie wurden
wacher und die Stimmung heiterer. Erst tausende Jahre später wusste man das Coffein diese
Stimmung bewirkt. 10
Im 16. Jahrhundert wurde der Kaffee entdeckt, der genau die gleichen Wirkungen entfaltete wie das
kauen von koffeinhaltigen Blättern, nur das er um einiges geniessbarer war. Nach dem 2.Weltkrieg
entstand der Energy Drink. Die Idee für dieses Getränk stammt aus Japan. Aus Asien importierte auch
der Erfinder von Red Bull Dietrich Mateschitz, die Idee nach Europa und wurde damit Ende der
1980er Jahre sehr erfolgreich.
8
http://www.implantatberater.de/index.php?aktuelle_seite=news_detail&ID=108
Marion Sauter. 2006. Doktorarbeit, Vergleich der durch Bleichen bedingten Mikrohärteveränderung
des Schmelzes an Menschen- und Rinderzähnen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen
carbamidperoxidhaltigen Bleichmitteln. Freiburg
10
Edward r. Miller-Jones. 2010. Energy Drinks. Fast book Publishing. USA.
9
7
Wie der Kaffee das Blätter kauen ersetzt hat, so könnte auch der Energy Drink den Kaffee ersetzen?
Nein, ich glaube, dass das nicht geschehen wird. Denn laut einer Umfrage von Wikipedia
konsumieren 3.2% 7 der 81 Millionen Einwohner Deutschlands mindestens einmal pro Woche einen
Energy Drink. Wobei der Kaffee weit mehr konsumiert wird.
Eine Dose Red Bull Original (250ml) enthält etwa 80mg Coffein, das entspricht in etwa einer Tasse
Filterkaffee.7 Wobei der Kaffe viel weniger Kalorien enthält. Das Red Bull Original ist wie alle
Süssgetränke ein unbewusster Dickmacher. Seit 2003 gibt es auch ein Red Bull sugarfree, das
wesentlich weniger Zucker enthält und somit auch weniger Kalorien.
Heutzutage gibt es so viele verschiedene Energy Drinks, sozusagen jeder einzelne Grossanbieter hat
sein eigener Energy Drink im Angebot.
Warum ich mich genau für Red Bull entschieden habe ist einfach. Red Bull ist der Leader auf dem
Energy Drink Markt. Bei meinem Feldversuch steht Red Bull stellvertretend für alle Energy Drinks.
Denn alle enthalten in etwa das Gleiche: Wasser, Saccharose, Glucose, Säureregulator
(Natriumcitrate, Magnesiumcarbonat) Kohlensäure, Säuerungsmittel Zitronensäure, Taurin (0,4 %),
Glucuronolacton (0,24 %), Koffein (0,032 %), Inosit, Vitamine (Niacin, Pantothensäure, B6, B12),
Aroma, Farbstoffe (einfache Zuckerkulör, Riboflavin). Diese Inhaltsstoffe habe ich auf der
Zutatenangabe auf der Rückseite eines Energy Drink Original entnommen. Wobei ein Red Bull
sugarfree ein Süssungsmittel enthält anstatt Saccharose und Glucose.
Es ging einmal ein Gerücht umher, das Red Bull Stierhoden enthalte. An jedem Gerücht ist etwas
Wahres dran. Natürlich hat Red Bull nie Stierhoden enthalten. Aber früher wurde Taurin, dass in Red
Bull enthalten ist, mittels Stierhoden hergestellt. Doch heutzutage kann der Stoff Taurin künstlich
hergestellt werden.
Red Bull hat seinen Erfolg nicht nur seinem Süssgetränk zu verdanken. Durch internationale Werbung
sowie PR und Sponsoring von sportlichen Veranstaltung (extrem Sportarten) erlangte es einen
grossen Bekanntheitsgrad. Aber auch durch seine unverwechselbaren Slogans: „Red Bull verleiht
Flügel“ hat es die Menschen in ihren Bann gezogen.
8
5.Matrial und Methoden
5.1 Experiment ETH
Dank der ETH Zürich hatte ich die Möglichkeit, meine Feldarbeit durchzuführen. Peter Wägli stand
mir währenddessen stets tatkräftig zur Seite und unterstütze mich dabei.
Zur Vorbereitung auf das Elektronenmikroskop, mussten mehrere Zähne präpariert werden, indem
wir sie halbierten. Der Grund für das Halbieren war folgender: Da jeder Zahn anders aufgebaut ist
und verschiedenes erlebt hat, braucht man jeweils zwei Versuchsproben von einem Zahn. Die eine
Hälfte wurde in die Lösung eingelegt, die andere wurde ohne Behandlung unter dem
Rasterelektronenmikroskop begutachtet.
Der Arbeitsablauf sah wie folgt aus:
Die etwas kleineren menschlichen Zähne wurden in einer Halterung in der TXPDiamantschleifscheibe platziert. Um die Kühlung zu gewährleisten, wurde die Diamantscheibe
fortlaufend mit Wasser gekühlt. Das Präparationsgerät halbierte den Zahn sehr schnell. Nach 2
Minuten konnte man ihn aus der Halterung lösen. Nun war der Zahn in zwei Hälften geteilt. Am Ende
waren drei menschliche Zähne mit TXP-Diamantschleifscheibe halbiert worden.
Da wir noch Rinderzähne zur Verfügung hatten, beschlossen wir, uns diese auch zu präparieren.
Jedoch verwendeten wir dafür eine Diamantdrahtsäge, da die Rinderzähne ein wenig grösser waren
und somit nicht in die Halterung der TXP-Diamantschleifscheibe passten. Aufgrund dieser
Abweichung, wurden die Proben auch unterschiedlich vorbereitet. Um die Zähne besser halbieren zu
können, wurden diese sorgfältig mit Hilfe von Wachs auf einen Probeträger aufgeklebt. Um den
Wachs flüssig werden zu lassen, erwärmte ich ihn auf einer Heizplatte und liess zwei bis drei Tropfen
auf den Probenträger nieder. Danach klebte ich einen Rinderzahn behutsam auf den Projektträger.
Dieser Ablauf wurde zweimal wiederholt. Jetzt kam das Präparationsgerät zum Einsatz. Ein Zahn nach
dem Andern wurde in die Diamantendrahtsäge eingespannt. Um die Kühlung zu gewährleisten, füllte
ich den Behälter unter der Diamantdrahtsäge mit Wasser. Ansonsten würde der Draht so heiss
werden, dass er reissen würde. Das Präparationsgerät halbierte den Zahn innert zehn Minuten. Als
die Diamantdrahtsäge ihre Arbeit beendet hatte, musste der Zahn vom Probeträger gelöst werden,
indem der Wachs erneut auf der Heizplatte erwärmt wurde. Die Rinderzähne haben wir präpariert,
um zu erfahren, ob diese wirklich die gleichen Bilder unter dem Rasterelektronenmikroskop ergaben.
Nun hatte ich fünf halbierte Zähne. Meine Betreuungsperson und ich beschlossen, dass wir alle
Zähne benutzen würden. Da es nicht genügend Lösungen zu Verfügung hatte, beschlossen wir, dass
Red Bull mit Wasser verdünnt wird, um den Speichel zu simulieren. Den ersten menschlichen Zahn
wird als Kontrollzahn (M1a) verwendet, die andere Hälfte werden wir in Red Bull Original (M1b)
einlegen. Der zweite menschliche Zahn wird ebenso als Kontrolle (M2a) angewendet und die andere
Hälfte wird in Red Bull sugarfree (M2b) einlegt. Der eine Teil des dritten menschliche Zahns wurde in
eine 50% Lösung, wobei die Lösung zur Hälfte aus Wasser und zur anderen Hälfte aus Red Bull
Original besteht (M3a). Die andere Zahnhälfte in eine 50% Lösung aus Red Bull sugarfree und Wasser
(M3b). Der vierte Zahn ist ein Rinderzahn, die eine Hälfte wurde in 10% Lösung Red Bull Original
(R4a) eingelegt und die andere Hälfte in 10% Lösung Red Bull sugarfree. Der letzte Rinderzahn diente
als Kontrolle, wobei ich nur eine Hälfte verwendete.
9
Gross M steht für menschliche Zähne und gross R für Rinderzähne.
Nachdem die Zuordnung festgelegt war, fertigten wir die Lösungen
an. Eine 100% Lösung, eine 50 % Lösung und zuletzt eine 10%
Lösung aus Red Bull. Anschliessend legte ich jeden Zahn für
30 Minuten in seine zugehörige Lösung. Als die 30 Minuten
abgelaufen waren, fischte ich die Zähne mit der Pinzette
Bildliche Darstellung:
Zähne Lösungen
M1a Red Bull Original Kontrolle
M1b Red Bull Original
heraus und wusch sie mit genügend Wasser ab damit sich
kein Red Bull mehr am Zahn befand und somit die Erosion
nicht mehr weiter fortschreiten konnte. Im Anschluss wurden
die Zähne mit einem Föhn getrocknet. Für das
Rasterelektronenmikroskop müssen die Zähne trocken sein,
M2a
M2b
Red Bull sugarfree Kontrolle
Red Bull sugarfree
M3a
M3b
Red Bull Original 50%
Red Bull sugarfree 50%
R4a
R4b
Red Bull Original 10%
Red Bull sugarfree 10%
R5
Kontrolle
um ein Vakuum herstellen zu können. Danach konnte ich die
Zähne auf den Probeträger aufkleben, mithilfe von Leit C
nach Göker. Die Kohlensuspension (Leit C) wurde auf den
Probeträger gestrichen. Der Grund warum ich Leit C
verwendete und nicht Leim lässt sich einfach begründen: Leit
C leitet und dies ist eine Notwendigkeit für die Anwendung des Rasterelektronenmikroskops. Sobald
die Zähne auf dem Probeträger aufgeklebt waren, markierte ich sie mit einem wasserfesten Filzstift
um eine Verwechslung der Proben zu verhindern. Um den Präparaten noch ein wenig Zeit für die
Trocknung zu lassen, wurden sie über Nacht unter einer Wärmelampe stehen gelassen.
Am darauffolgenden Tag kam das Verdampfungsgerät oder auch Sputtergerät genannt zum Einsatz.
Dieses Gerät beschichtet den Zahn mit einer fünf Nanometer dicken Platinschicht. Das ist
erforderlich, weil das Rasterelektronenmikroskop die Oberfläche des Zahnes mit einem
Elektronenstrahl abtastet. Dadurch wird die Oberfläche negativ geladen. Damit die Ladung abgeleitet
wird, ist es ausserordentlich wichtig, den Zahn mit einem leitfähigen und hauchdünnen Film zu
beschichten. Somit werden auch die filigranen Strukturen bewahrt und man erkennt unter dem REM
alle noch so kleinen Details.
Als alle Vorbereitungen für das Rasterelektronenmikroskop getroffen waren, konnte ich endlich
meine Proben unter dem REM betrachten. Dafür wurden die neun Proben auf den Träger des
Rasterelektronenmikroskops festgeschraubt. Aber bevor man überhaupt etwas auf dem Bildschirm
erkennen konnte, musste man ein Vakuum erzeugen. Genau dieses Vakuum bereitete uns Probleme,
denn die Proben im REM waren zu feucht. Doch nach einer geschlagenen Viertelstunde war das
Vakuum endlich erreicht. Nun war etwas auf dem Bildschirm zu erkennen. Anfangs vergrösserte
meine Betreuungsperson der ETH auf 1000 fache. Schon jetzt konnte man verschiedene Strukturen
erkennen. Im Normalfall vergrössert man bei Zähnen auf das 5000 fache bis 10‘000 fache
Vergrösserung. Genau diese Vergrösserung strebten wir auch an, aber umso grösser die
Vergrösserung wurde, desto mehr verloren wir die Orientierung. Da wir beide, meine
Betreuungsperson und ich, in unserem bisherigen Leben wenig mit Zähnen zu tun hatten, wussten
wir auch nicht, wo wir nach einer Erosion suchen sollten.
10
Aus diesem Grund vertagten wir die weitere Untersuchung der Zähne und beschlossen, eine
Beurteilung von einer Person einzuholen, die sich auf die Zahnmedizin spezialisiert hatte. Die
Unterstützung fand ich im Zentrum für Zahnmedizin der UNI.
5.2 Experiment Zentrum für Zahnmedizin UNI:
Im Zentrum für Zahnmedizin wurde ich von Beatrice Sener unterstützt. Sie erwies mir ihren Dienst
indem sie mir den Ablauf erklärte und mir viele weitere Inputs zu meiner Feldarbeit gab. Zu Beginn
begutachteten wir eine Probe (M1b), die ich von der ETH mitbrachte unter dem
Rasterelektronenmikroskop. Wir erkannten an gewissen Stellen starke Erosionen. Aber da das
Zentrum für Zahnmedizin eine andere Herangehensweise anwendet um Erosionen festzustellen,
beschlossen, wir meine Feldarbeit nochmals durchzuführen und die anderen Proben von der ETH
wurden nicht mehr unter dem REM betrachtet.
Zu meinem Feldversuch verwendeten wir Rinderzähne, da diese sehr ähnlich aufgebaut sind wie
menschliche Zähne. Als Erstes musste ich die Zähne von jeglichem Schmutz und von Karies befreien.
Dies erzielt man, indem die Zähne mit drei verschieden Schleifscheiben abgeschliffen wurden. Die
Maschine funktioniert wie beim Zahnarzt - man kann die verschieden Schleifscheiben einfach nur auf
die passende Halterung aufziehen. Sobald man ein wenig Druck auf die Schleifscheibe gab, fing sie an
zu rotieren. Aber man konnte jede Schleifscheibe nur einmal benutzen, da sie sich selbst abschliff.
Die erste Schleifscheibe war ganz grob und rau, sie schliff alle grösseren Verschmutzungen weg. Ich
musste sie während zwei Minuten mit einem Druck von ca. 50 Gramm anwenden. Den Druck, den ich
anwendete, konnte ich auf einer Wage ablesen und konnte in je nach dem verstärken oder
nachgeben. Die zweite Schleifscheibe war weniger Rau als die Erste. Ich musste sie genau gleich
bedienen, während zwei Minuten mit einem Druck von ca. 50 Gramm. Die Letzte der drei
Schleifscheiben war ganz fein, diese musste ich während drei Minuten ebenfalls mit einem Druck von
ca. 50 Gramm einsetzen. Die Schleifscheiben wurden ständig mit Wasser gekühlt, da sie sonst zu
heiss geworden wären. Die bereits verarbeiteten Zähne deckte ich stets mit einem nassen Tuch ab,
sonst hätten die Zähne austrocknen können. Über Nacht wurden die Zähne in 0.1% Thymol Lösung
eingelegt. Durch diesen Vorgang werden alle Bakterien abgetötet, da Thymol antibakteriell wirkt.
Am nächsten Tag angelte ich die Zähne mit der Pinzette aus dem Glas hinaus und trocknete sie ab.
Anstatt wie an der ETH die Zähne auseinanderzuschneiden, wurde die eine Hälfte des Zahnes mit
ganz normalen Tesafilm abgeklebt. Dazu schnitt ich den Tesafilm passend für den Zahn zu, klebte in
behutsam auf die eine Hälfte des Zahnes und drückte es gut fest so dass keine Luftblasen zwischen
Zahn und Tesafilm entstehen konnten. Dies war sehr wichtig, den sobald eine Luftblase entstand,
konnte die Red Bull Lösung auf die andere Seite des Zahnes gelangen und dort eine Erosion
erzeugen. Ich fertigte davon vier Rinderzähne an. Die verdünnten Red Bull Lösungen liessen wir weg,
da mir Frau Senner sagte, dass der Unterschied kaum (unter dem Rasterelektronenmikroskop)
erkennbar sei. Zwei Zähne wurden in Red Bull Original eingelegt und die anderen zwei in Red Bull
sugarfree, wobei der zweite Zahn als Kontrolle gedacht war.
11
Die Zähne wurden wieder auf dem Probeträger mit Sekundenkleber fest, damit man die Zähne später
besser am Erlenmeier befestigen konnte. Danach wurden die Probeträger angeschrieben, dass man
den Überblick nicht verlor. Danach deckte ich die Zähne wieder mit einem nassen Tuch ab, um sie vor
Austrocknung zu bewahren.
In einem nächsten Schritt
wurden zwei Erlenmeier mit
25 Milliliter Red Bull Original
und zwei Erlenmeier mit 25
Milliliter Red Bull sugarfree
gefüllt. Die Erlenmeier
wurden auf je einen
Magnetrührer gestellt und
ein Rührfisch wurde in die
Flüssigkeit gelegt. Ich
befestigte ein wenig
Zahnseide am Probeträger
und band sie am Glasstab
Abbildung 3
über den Erlenmeier fest,
schaltete die Magnetrührer ein und stellte die Uhr auf 30 Minuten. Die Abbildung 3 zeigt die
Versuchsanordnung auf. Das Durchmischen während den 30 Minuten ist ein wichtiger Bestandteil
meiner Feldarbeit, weil durch das Mischen ständig neue Säuere an den Zahn gelangen kann. Vor
allem im Mund wird die getrunkene Flüssigkeit ständig hin und her bewegt und so gelangt auch
immer wieder frische Säure an die Zähne. Als die Zeit abgelaufen war, fischte ich die Zähne mit der
Pinzette wieder hinaus, wusch sie mit Wasser ab, trocknete die Zähne ab und löste den Tesafilm von
der einen Hälfte der Zähne. Danach wurde der Zahn vom Probeträger abgelöst.
Beim Trocknen der Zähne kam die Alkoholreihe zum Zug. Wobei ich die Zähne zwei Mal für 15
Minuten in 50% Alkohol einlegen musste, zwei Mal ebenfalls für 15 Minuten in 70% Alkohol , 2 Mal
für 15 Minuten in 80% Alkohol, zwei Mal für 15 Minuten in 90% Alkohol, drei Mal für 20 Minuten in
96% Alkohol und zum Schluss zwei Mal für eine Stunde in 100% Alkohol einlegte. Die Alkoholreihe
garantiert ein schonendes Trocknungsverfahren.
Jetzt konnte ich die Proben mithilfe von Leit C auf dem Probeträger befestigen. Nun waren die Zähne
soweit vorbereitet, dass man sie nur noch bedampfen musste, bis man sie unter dem
Rasterelektronenmikroskop begutachten konnte.
Nach dem wir die Zähne vorbereitet hatten, wurde der Gesamtsäuregehalt durch Titration ausfindig
gemacht. Eine Titration führ man durch, um zu wissen wie viel Säure gesamthaft in einem Liter
vorkommen und somit auf den Zahn einwirken. Der Grund warum eine Titration durchführt wird und
warum sich niemand nur mit dem pH-Wert zu Frieden gibt ist folgender: der pH-Wert ist ein deutlich
schlechteres Mass für die Säurewahrnehmung. Denn, der pH-Wert lässt sich von verschiedenen
Säuren unterschiedlich stark beeinflussen, zum Beispiel senkt Zitronensäure den pH-Wert wesentlich
mehr als Milchsäure. Wobei bei der Titration alle Säuren genau gleich verrechnet und gemessen
werden. Dadurch bildet sich ein viel genaueres Ergebnis. Dennoch darf man den pH-Wert nicht
ausser Acht lassen.
12
Um das erste Messergebnis zu erhalten wog ich eine bestimmte Menge Red Bull ab, es konnte
irgendeine Menge sein, es war nur wichtig, dass man sie genau kannte. Die erste Messung ergab
28.15 Gramm Red Bull Original. Ich füllte die Flüssigkeit in den dazugehörigen Titrationsbecher und
schaltete das Gerät ein. Das Red Bull wurde jetzt titriert.
Bei diesem Vorgang verwendete ich Potentiometrie Titration.
„Ein bekannter Stoff, dessen Konzentration unbekannt ist (Probelösung), wird in einer gezielten
chemischen Reaktion mit einer Maßlösung, deren Konzentration genau bekannt ist, umgesetzt. Das
Volumen der verbrauchten Maßlösung wird dabei gemessen und anhand der Stöchiometrie die
unbekannte Konzentration der Probelösung berechnet.“11 Beim bekannten Stoff handelt es sich um
Natronlauge und bei dem unbekannten Stoff handelt es sich um Zitronensäure. Wir wissen, dass es
sich im Red Bull um Zitronensäure handelt, weil diese auf der Zutatenliste des Produktes angegeben
ist. Natürlich befinden sich noch andere Säuren im Red Bull, wie zum Beispiel Kohlensäure. Aber die
restlichen Säuren sind in so geringer Menge vorhanden dass es fast keine grossen Einwirkungen auf
die Erosion haben. Nach ca. 5 Minuten war die Titration beendet. Kurz darauf spuckte die Maschine
ein Protokoll aus, auf dem stand alles notwendige um mit den weiteren Berechnungen fortzufahren.
Zur Kontrolle führte ich noch eine weitere Titration mit Red Bull Original durch, diesmal wägte ich
24.85 Gramm ab. Beide Titrationen kamen etwa auf das gleiche Ergebnis, darum zählt hier der
Durschnitt. Für die erste Messung von Red Bull sugarfree wägte ich 32.98 Gramm ab und für die
zweite 22.88 Gramm. Da aber die zweite Messung eine zu grosse Abweichung zu ersten hatte,
wiederholte ich die Titration ein drittes Mal. Dieses Mal wog ich 25.34 Gramm ab. Das erste und das
dritte Titrationsergebnis von Red Bull sugarfree stimmten überein. Um auch hier das Mittelmass zu
erhalten, wurde der Durchschnitt errechnet. Danach entnahm ich die pH-Werte beider Getränke
mithilfe eines pH-Meters.
Kurz darauf wurden die 4 Zähne mit dem Sputtergerät bedampft. Die Erklärung des Sputtergeräts
wird im folgenden Unterkapitel erläutert. Der Unterschied zur ETH war, das wir anstelle von Platin
Gold benutzt haben. Frau Sener erklärte mir, dass dies optimaler für die Zähne sei.
Da wir nun alle Vorkehrungen getroffen hatten, bat sich die Möglichkeit die Zähne unter dem
Rasterelektronenmikroskop zu begutachten. Dafür legte ich die vier Proben auf den Träger des
Rasterelektronenmikroskops und schraubte sie fest. Dieses Mal hatten wir keine Probleme das
Vakuum herzustellen. Von Anfang an entdeckten wir die Erosionen, wir mussten gar nicht lange
suchen. - zum Glück, ein weiterer Meilenstein ist erreicht!
11
http://de.wikipedia.org/wiki/Titration
13
5.3 Sputtergerät
Das Prinzip das beim Sputtergerät angewendet wird, besteht in einer im Inertgasfeinvakuum
befindlichen Diode mit einer angelegten Gleichspannung von 3 kV. Als Inert Gase bezeichnet man
Gase die sehr Reaktionsträge sind, wie Argon. Die Kathode (Target) besteht aus dem zu
bestäubenden Material. In meinem Fall ist das Gold (UNI) und Platin (ETH). Auf der Anode befinden
sich die Proben. Nach einer gewissen Zeit kommt es zu einer Glimmentladung durch das ionisierte
Gasplasma. Durch diese
Glimmentladung schlagen
die hochbeschleunigten
Inert Gasionen auf dem
Target ein. Durch diesen
Einschlag spritzen die
Metallatome (Gold/Platin)
wie beim Poolbillard
hinaus. Somit treffen
diese Metallatome auf die
Probefläche (Anode) auf
und durch ihre
Bewegungsenergie
entstehen in der Probe
klein Minikrater, diese
Minikrater dienen zur
Haftungsverbessrung für die Schicht
Abbildung 4
aus Metallatomen. Durch diesen Prozess erhält man eine mit metallbeschichtete Probe. Diese
Schicht ist notwendig, um das Rasterelektronenmikroskop anwenden zu können.12
12
Horst, Lange, Rainer und Blödorn Jochen. 1981. Das Elektronenmikroskop. Georg Thieme Verlag. Stuttgart.
14
5.4 Rasterelektronenmikroskop
Das REM dient zur Abbildung von Oberflächen.
Abbildung 5
Im oberen Ende des vakuumierten Zylinders, werden Glühemissionen durch einen Wolframdraht
Elektronen ausgelöst (Kathode). Diese Elektronen werden durch ein starkes Elektromagnetisches
Feld (Anode) nach unten beschleunigt. Den Elektronenstrahl verkleinert man durch mehrere
Elektromagnetische Linsen bis zu drei Nanometer. Mittels eines Ablenkspulensystems führt man den
Elektronenstrahl über die Oberfläche. Das zu untersuchende Objekt befindet sich am unteren Ende
des Zylinders auf dem Probetisch, der man in alle Richtungen bewegen kann. Durch das Auftreten
des Elektronenstrahls auf der Probefläche werden energieschwache Sekundärelektronen frei, die in
ein Signal umgewandelt werden. Dieses Signal, steuert Helligkeit und Kontrast. Der Strahl der
Bildröhre wird synchron zum Strahl des vakuumierten Zylinder abgelenkt, wobei das Bild entsteht13.
Die Abbildung fünf stellt die beschrieben Situation bildlich dar. Der maximale Vergrößerungsfaktor
des REM liegt ungefähr bei 1.000.000:1. Wobei wir bei dem Feldversuch nur die Vergrösserung 5‘000
bis 50‘000 genutzt haben.
13
http://pages.unibas.ch/zmb/tafeln_REM_kellerWEB/aufbau.html
15
6. Resultate
6.1 Experiment ETH
Unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennt man Erosionen, sobald man eine wabenartige
Struktur lokalisiert. Der Grund warum keine Erosion unter dem REM zu sehen war, ist, dass Karies
und Dreck die Erosionen verdeckt haben. Mithilfe der Schleifscheiben, die am Zentrum für
Zahnmedizin angewendet werden, können die Verunreinigungen weggeschliffen werden. Ohne diese
Vorbereitung ist das Wabenmuster nur sehr schwer zu erkennen. Dadurch konnten wir nur selten
wabenartige Strukturen identifizieren. Obwohl uns mehrere Vergleichs Bilder zu Verfügung standen,
waren wir uns nie sicher, ob es sich wirklich um eine Erosion handelt. Herr Wägli und ich hatten
vorher noch nie Zähne unter dem Rasterelektronenmikroskop betrachtet.
6.2 Experiment Zentrum für Zahnmedizin UNI
Schmelzprisma
Kollagen
eingestürzte Kollagenwand
Hydoxilapatit
6.2.1 Elektroskopische
Aufnahmen der ETH-Zähne
Bei der Untersuchung der
Probe M1b von der ETH am
Zentrum für Zahnmedizin
konnte gezeigt werden, dass
sich starke Erosionen gebildet
haben. Eine Erosion zeichnet
sich durch eine wabenartige
Struktur unter dem
Elektronenmikroskop aus.
Direkt unter dem Zahnschmelz
befinden sich die
Schmelzprismen. Das Bild der
Abbildung 6
Probe M1b wurde 24‘450 Fach
vergrössert, um die Schmelzprismen genau erkennen zu können. Wenn die Erosion kaum oder gar
nicht vorhanden ist, erkennt man nur eine glatte Fläche. Sobald sich die Erosion verstärkt kommen
die Schmelzprismen zum Vorschein. Die Abbildung Nr. 6 stellt die Situation bildlich dar, es handelt
sich um die Probe M1b. Je stärker die Erosion, je grösser wird die Leere. Das was als äussere Schicht
verbleibt, nennt man Kollagen. Der innere Teil der Hydoxilapatit ist bei starken Erosionen vom
Speichel weggewaschen worden und es entwickelt sich nach und nach zurück. Durch diesen Vorgang
werden die Zähne stumpf, glanzlos und durchschimmernd. Wenn die Erosion noch ein grösseres
Ausmass annimmt, brechen die Kollagenwände ein. Genau das ist bei der Probe M1b passiert, wie
man in der Abbildung Nr. 6 erkennen kann. Dadurch erhärtet sich der Verdacht, dass Red Bull eine
Zahnerosion auslöst. Doch um die Erosion noch genauer darzustellen zu können, habe ich noch einen
16
zweiten Feldversuch am Zentrum für Zahnmedizin durchgeführt. Darum wurden die restlichen ETHProben nicht mehr unter dem REM betrachtet.
6.2.2 Auswertungen Titration
Da bei Beispiel eins, einen Verbrauch von 30.15g erhält, muss die Zahl mit dem Betrag 0.0064
multiplizieren, da 1 ml 0.1 M NaOH mit Faktor 1000, 0.0064 g Zitronensäure neutralisiert. Weil die
Natronlauge im Faktor 1.0550 vorkommt, multipliziert man mit dem Faktor 1.0550. Aus dem Grund,
dass man das Resultat in der Einheit Gramm und nicht Milligramm erhalten will, muss man die
Berechnung noch mit 1000 multiplizieren. Da die Rechnung pro Liter berechnet wird, muss man die
Multiplikation durch die Einwaage, bei Beispiel eins wären es 28.15 Gramm, dividieren. Wobei bei
allen Rechnungen auf die zweite Stelle nach dem Komma gerundet worden ist.
Berechnungen:
Red Bull Original
1. Einwaage: 28.15g Red Bull Original
Verbrauch: 30.17 ml 0.1 M NaOH
Titrant: 0.1 M NaOH (Faktor 1.0550)
2. Einwaage: 24.85 g Red Bull Original
Verbrauch 26.29 ml 0.1 M NaOH
Titrant: 0.1 M NaOH (Faktor 1.0550)
Durchschnitt der beiden oberen Resultate: 7.25 g/l
17
Red Bull sugarfree
1. Einwaage: 32.98 g Red Bull sugarfree
Verbrauch: 31.972 ml 0.1 M NaOH
Titrant: 0.1 M NaOH (Faktor 1.0550)
2. Einwaage: 22.88 g Red Bull sugarfree
Verbrauch: 26.961 ml 0.1 M NaOH
Titrant: 0.1 M NaOH (Faktor 1.0550)
Da Resultat 2 eine zu grosse Abweichung von Resultat eins hat, wurde eine dritte Titration
durchgeführt.
3 . Einwaage: 25.34 g Red Bull sugarfree
Verbrauch: 23.96 ml 0.1 M NaOH
Titrant: 0.1 M NaOH (Faktor 1.0550)
Durchschnitt der Rechnungen eins und drei: 6.47 g/l
Die pH-Messung bei 22.5 ° Celsius von Red Bull Original ergab einen pH-Wert von 3.3. Wobei die
Messung von Red Bull sugarfree einen Wert von 3.4 betrug. Zum Vergleich, die beiden Getränke sind
fast so sauer wie ein herkömmlicher Haushaltsessig der einen pH-Wert von 3.1 besitzt.
18
6.2.3 Elektronenmikroskopische Aufnahmen am Zentrum für Zahnmedizin
Kratzer
Die Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
zeigt den Zahnschmelz, der noch vollkommen
gesund und von keiner Erosion beschädigt ist.
So sieht der Schmelz normalerweise aus. Die
Kratzer die man in der Abbildung Nr. 7 erkennen
kann, ist kein natürlicher Schaden. Er wurde von
den Polierscheiben verursacht, die den Zahn
von Dreck befreiten. Die Proben glänzen, da die
Kratzer das Licht brechen. Die Aufnahme ist
10‘000 Fach vergrössert.
Abbildung 7
Hier sind schon die ersten wabenartigen
Strukturen zu erkennen. Dieses Bild zeigt die
ersten Anzeichen einer Erosion. An gewissen
Stellen können sogar schon die Schmelzprismen
gesehen werden. Die Erosion stammt von einem
Red Bull Original ab, das bei 5‘000 Fachen
Vergrösserung abgebildet ist. Im unteren Bereich
links ist die Erosion schon weiter fortgeschritten.
Es bilden sich Risse und der Hydroxylapatit
beginnt abzusinken. Der Grund warum nicht auf
der ganzen Fläche das gleiche Ausmass einer
Erosion zu finden ist, ist weil nicht alle Erosionen
gleich schnell ablaufen. Jeder Zahn hat seine
eigene Kontur, deswegen sind einige Stellen mehr
beeinträchtigt als andere.
19
Abbildung 8
Diese Erosion wurde vom Red Bull Original
ausgelöst und wurde bei 5‘000 facher
Vergrösserung abgebildet. Im Unterschied
zur obigem Abbildung Nr. 8, zeigt dieses
Bild auf der rechten Seite (Abbildung Nr. 9)
eine sehr ausgeprägte Erosion. Welche so
stark ist, dass sich an einigen Stellen sogar
das Kollagen aufgelöst hat. Die Erosion hat
hauptsächlich auf der linken Seite
stattgefunden, da die rechte Seite mit
Tesafilm abgedeckt war. Es sind dennoch
Risse entstanden, weil die Stelle nicht
richtig mit Tesafilm abgedichtet wurde und
darum eine sehr geringe Erosion zustande
Abbildung 9
kam.
Auf diesem Bild (Abbildung Nr. 10) sind
Erosionen, die von Red Bull sugarfree
ausgelöst wurden abgebildet. Die
wabenartigen Strukturen sind einiges
schlechter zu erkennen als bei den
vorherigen, weil die Erosion geringer
ausgefallen ist. Auf der rechten Seite ist
keine Erosion erfolgt, weil dieser mit
dem Tesafilm abgeklebt wurde.
Abbildung 10
Wie man auf den obigen zwei Bildern erkennt, ist die Zahnerosion durch Red Bull sugarfee schwächer
ausgefallen als die von Red Bull Original. Dafür gibt es vielfältige Gründe. Die eine Ursache ist, das die
zuckerfreie Variante des Getränkes einen höheren pH-Wert aufweist. Da der Unterschied des pHWertes zwischen beiden Getränken nicht so gross ist, ist dieser Punkt nicht ausschlaggebend. Ein
weiterer Grund ist die Differenz im Gesamtsäuregehalt, der fast 0.75 Gramm beträgt.
Die Ursache die am meisten Einfluss auf den Unterschied hat, ist die Tatsache das Kohlenhydrate von
Bakterien in Säure umgewandelt wird.
20
Gewisse Bakterien besitzen diese Fähigkeit, indem sie Kohlenhydrate in sich aufnehmen und
abbauen. Durch diesen Abbauprozess entstehen grosse Mengen an organischen Säuren.14 Das Red
Bull Original enthält reichlich mehr Zucker als Red Bull sugarfree und somit auch mehr
Kohlenhydrate. Genau gesagt enthält das gezuckerte Red Bull 11 Gramm Kohlenhydrate und die
zuckerfreie Variante gar keine.
7. Diskussion
Ein Red Bull Dose enthält 250ml. Geschätzt, nehmen wir etwa pro Schluck 15ml zu uns, wenn wir das
Getränk geniessen und behalten die Flüssigkeit für etwa eineinhalb Sekunden in unserem Mund,
bevor sie runtergeschluckt wird. Nach dieser Schätzung trinken wir die Dose mit etwa 17 Schlücken.
Das heisst wenn wir eine Dose Red Bull trinken, kommen unsere Zähne während 25.5 Sekunden mit
dem Red Bull in Kontakt. Wenn jede Woche 2 Red Bull Dosen konsumiert werden, oder manchmal
auch nur eine Dose, erreicht man in einem Jahr 70 Dosen, die man während ca. 30 Minuten
konsumiert. Diese Zeit wiederspiegelt sich in meinem Feldversuch wieder. Bei diesem wurden die
Zähne während 30 Minuten in die jeweilige Lösung eingelegt. Damit will ich zeigen, wie schnell sich
eine Erosion ausbreitet.
Aber natürlich konnte ich meinen Versuch nicht ganz naturgetreu darlegen, weil noch andere Dinge
einen Einfluss auf die Erosion haben:
Der Speichel spielt dabei die wichtigste Rolle, er ist ein natürlicher Schutzfaktor. Er verdünnt die
Säure nicht nur, sondern neutralisiert sie. Dies aufgrund seiner Inhaltstoffe: Kalzium- und Phosphat
Ionen weist der Speichel ein Zahnschmelz stärkendes Potential auf, weil diese Stoffe eine geringe
Remineralisation bewirken. Die Speichel-Pellikel schützen den Zahn zusätzlich noch. Die Pellikel ist
ein Film aus Speichelproteinen, der als semipermeable Membran die Zahnhartsubstanz vor Erosion
schützt. Darum wird es nicht empfohlen vor den Malzeiten die Zähne zu putzen, weil dieser Film
somit für eine kurze Dauer zerstört wird.15
Ein weiterer Aspekt den ich in meiner Feldarbeit nicht miteinbezogen habe, ist die Abrasion durch
mechanische Einflüsse. Die durch Essen und den Druck durch die Zahnbürste ausgelöst wird. Denn,
wer direkt nach dem Konsumieren von sauren Speisen seine Zähne putzt, richtet mehr Schaden an
als es nützlich ist. Durch die Säure, die man durch das Essen oder Trinken aufnimmt, wird der
Schmelz aufgeweicht. Wenn nun direkt die Zähne geputzt werden, schrubbt man den aufgeweichten
Zahnschmelz weg. Darum empfehlen ein Grossteil der Zahnärzte die Zähne erst 30 Minuten nach
dem Essen zu putzen. 15
Es gibt natürlich noch weitere Massnahmen um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass man an
einer Zahnerosion erkrankt:
- Man sollte pro Tag nur drei Mahlzeiten die Säure enthalten zu sich nehmen. Dadurch hat der
Speichel genügend Zeit den pH-Wert zu neutralisieren und die Pellikel können sich erneut um den
Zahnschmelz bilden.
14
E. Buddecke.1981.Biochemische Grundlagen der Zahnmedizin. Walter de Gruyter. Münster.
Annette Wiegand und Thomas Attin.2006.Dentale Erosionen-präventive und therapeutische Empfehlungen
für Risikopatienten. Quintessenz. Zürich.
15
21
Wenn immer wieder über den Tag verteilt Getränke und (zuckerhaltige) Malzeiten konsumiert
werden, neutralisiert sich der pH-Wert nicht und die Zähne befinden sich dadurch ständig in einem
sauren Milieu. Demzufolge wird sich die Erosion ausbreiten.16
- Um den Speichfluss anzuregen, können Kaugummis oder Bonbons die mit dem Zahnmännchen
symbolisiert sind gekaut werden. 15
- Eine weitere Massnahme ist das Zähne putzen mit einer fluoridhaltigen Zahnpasta. Das Fluorid
stabilisiert und stärkt die Deckschicht der Zähne, um somit ist der Zahn besser gegen Säure
gewappnet. 15
- Saure Getränke müssen möglichst schnell getrunken werden und nicht schluckweise. Umso
schneller man etwas trinkt, umso kürzer kommt der Zahnschmelz mit der Säure in Berührung. 16
- Nach einem säurehaltigen Essen wird empfohlen, die Speise mit einem neutralisierenden
Lebensmittel (z. B Mich oder Käse) abzuschliessen. 15
-Wenn Krankheiten (Reflux, Bulimie) vorliegen, müssen diese behandelt werden, sei es mit
Medikamenten oder mit einer psychologischen Therapie.17
7.1 Beantwortung der Fragestellung
Durch meinen Feldversuch konnte ich beweisen das die Getränke Red Bull sugarfree und Red Bull
Original eine Zahnerosion hervorrufen. Es wurde durch die Elektronenmikroskopischen Bilder
bewiesen, dass eine Erosion stattgefunden hat. Durch die Titration und durch die pH-Wert Messung
konnte gezeigt werden, dass der Unterschied im Säuregehalt zwischen Red Bull Original und Red Bull
sugarfree nur sehr gering ist, dieser dennoch einen Einfluss auf das Ergebnis hat.
Wie vermutet löst Red Bull Original eine stärkere Erosion aus, als Red Bull sugarfree. Nicht wie zuerst
angenommen ist der pH-Wert das angebende Mass zur Erosion, sondern der Säuregehalt und die
Umwandlung von Kohlenhydraten in Säure.
7.2 Aktueller Wissensstand
Es gibt bereits ein ähnliches Dokument, das Zahnerosionen bei Sportlern und Sportlerinnen
untersucht. Da Sportler meist Sportgetränke trinken, die etwa den gleichen pH-Wert wie Red Bull
besitzen, finde ich diese Arbeit ein gutes Vergleichsdokument. Lorenza Pestelacci, die diese Arbeit
verfasst hat, beschreibt darin, dass Sportler die regelmässig ein Energie steigerndes Getränk trinken,
mehrheitlich stärkere Erosionen aufweisen als Menschen, die die Getränke eher meiden. Nicht nur
der niedrige pH-Wert von Sportgetränken führt zu Erosionen, sondern auch die häufige Anwendung.
Spitzensportler nehmen das Getränk täglich zu sich. Aber einer der grössten Unterschiede ist, dass
die Erosion bei Sportlern und Sportlerinnen noch verstärkt wird, indem sie direkt nach der Einnahme
mit offenem Mund Sport treiben. Der Mund trocknet aus, dadurch befindet sich fast kein Speichel
mehr in der Mundhöhle. Der Speichel ist jedoch eine Notwendigkeit, um den pH-Wert in der
16
Annette Wiegand und Thomas Attin.2006.Dentale Erosionen-präventive und therapeutische
Empfehlungen für Risikopatienten. Quintessenz. Zürich.
17
http://www.lifeline.de/zahngesundheit/zahnaesthetik/erosionen/content-145420.html
22
Mundhöhle wieder zu neutralisieren. Somit wirkt die Säure viel länger auf den Zahnschmelz ein und
die Konsequenz davon ist, dass sich die Erosion stärker entwickelt.
Wir sind dennoch auf das gleiche Ergebnis gelangt, das Getränke mit einem niedrigen pH-Wert starke
Erosionen verursachen.18
Ein anderes Dokument mit dem ich meine Arbeit vergleiche, dreht sich um die allgemeinen Ursachen
einer Erosion und wie und wann eine Erosion zustande kommt. Im Bericht wird beschrieben, dass
durch falsche Ernährung, durch Krankheit oder auch durch Einnahme von Medikamenten eine
Erosion verursacht werden kann. Sobald der pH-Wert in der Mundhöhle unter 5.5 fällt, kommt eine
Erosion zustande. Genau diese Situation wird mit Red Bull Original und Red Bull sugarfree für eine
gewisse Zeit im Mund erreicht. Bei dem Feldversuch bin ich auch auf das Ergebnis gelangt das
Getränke mit dem pH-Wert 3.3 bzw. 3.1 eine Erosion auslösen. Weiter beschreiben die Autoren wie
man Erosionen vorbeugen und stoppen kann. Sie empfehlen wärmstens, die all jährliche
Untersuchung beim Zahnarzt wahrzunehmen. Weil nur durch den Zahnarzt frühzeitig Erosionen
erkannt und dadurch behandelt werden können.19
7.3 Reflexion
Meine Arbeit hat mir Anfangs grosse Rätsel aufgegeben. Sehr lange Zeit wusste ich nicht wie eine
Zahnerosion gemessen werden konnte. Das Problem löste sich dennoch, doch kurz darauf wurde ich
vor neue Probleme gestellt: Ich fand kein Labor, das mir das Rasterelektronenmikroskop zu
Verfügung stellte. Doch nach und nach wurden alle Schwierigkeiten überwunden.
Ich sehe die Maturaarbeit unter dem Schlussstrich als etwas sehr Positives, durch die Maturarbeit
habe ich gelernt nicht aufzugeben. Da ich sehr lange hatte, bis ich ein Rasterelektronenmikroskop
gefunden hatte, dass ich benutzen durfte. Wobei ich jetzt denke, dass ich mir manche Aufregung
hätte ersparen können. Indem ich einfach mal abgewartet hätte und mir nicht immer Sorgen um
dieses oder jenes gemacht hätte. Ich habe durch die Arbeit auch Selbstvertrauen gewonnen, durch
dass ich mich vielen fremden Leuten gegenüberstellen und ihnen meine Arbeit so schmackhaft wie
möglich präsentieren musste, dass sie mich bei der Arbeit unterstützen würden.
Im Labor wurde sehr genau gearbeitet, da jeder Fehler eine Einwirkung auf das Ergebnis hätte.
Dadurch ist die Schnelligkeit ein wenig zu kurz gekommen. Doch da ich noch nie so richtig im Labor
arbeitete, war das zu entschuldigen.
Wenn ich die Möglichkeit hätte, noch mal von vorne zu beginnen, würde ich alles genau gleich
machen, bis auf etwas: Dass die Methode mit dem die Zahnerosion gemessen wird schon seit Anfang
an bekannt ist. Somit kann man auch früher beginnen ein Labor zu finden, dass mit den passenden
Utensilien ausgestattet ist. Damit spart man viel Zeit und Sorgen.
18
Lorenza Pestelacci.1997.Zahnerosionen und keilförmige Defekte bei Sportlerinnen. Zürich.
A. Wiegand und T. Attin. 2007. Ätiologie, Diagnostik und Therapie nichtkariöser Zahnhartsubstanzdeffekte.
Springer Medizin Verlag. Zürich
19
23
8. Glossar
Ablenkspulen dienen zur Richtungsablenkung der Elektronen im Rasterelektronenmikroskop. 20
Abrasion bezeichnet man den Verlust der Zahnhartsubstanz durch Reibung. Abrasion kommt vom
lateinischen und heisst Abnutzung.
Die Glimmentladung ist eine Gasentladung, die selbstständig bei niedrigem Gasdruck durch zwei an
einer Gleich- oder Wechselspannungsquelle liegenden kalten Elektroden auftreten kann.21
Glühemission bezeichnet die Aussendung von Elektronen aus einer geheizten Glühkathode die sich
im Vakuum befindet.22
Leit C : Die Paste ist leitfähig und darum wird sie als Kleber für Objekte verwendet, die auf den
Probeträger befestigt werden müssen. Sie wird hauptsächlich für die Elektronenmikroskopie genutzt.
Reflux ist eine Krankheit die sich durch Aufstossen der Magensäure kennzeichnet.
REM ist die Abkürzung für Rasterelektronenmikroskop.
Remineralisation ist eine Wiedereinlagerung von Mineralien in die Zahnhartsubstanz durch den
Speichel.
Der Zahnschmelz besteht mikroskopisch aus tausenden Schmelzprismen, sie werden erst unter dem
REM sichtbar.
20
Horst, Lange, Rainer und Blödorn Jochen. 1981. Das Elektronenmikroskop. Georg Thieme Verlag. Stuttgart
http://de.wikipedia.org/wiki/Glimmentladung
22
http://www.ulfkonrad.de/physik/allgemein/gluehemission.htm
21
24
9. Quellenverzeichnis
Buchquellen:
Marion Sauter. 2006. Doktorarbeit, Vergleich der durch Bleichen bedingten Mikrohärteveränderung
des Schmelzes an Menschen- und Rinderzähnen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen
carbamidperoxidhaltigen Bleichmitteln. Freiburg
Edward r. Miller-Jones. 2010. Energy Drinks. Fastbook Publishing. USA.
Horst, Lange, Rainer und Blödorn Jochen. 1981. Das Elektronenmikroskop. Georg Thieme Verlag.
Stuttgart
E. Buddecke.1981.Biochemische Grundlagen der Zahnmedizin. Walter de Gruyter. Münster
Lorenza Pestelacci.1997.Zahnerosionen und keilförmige Defekte bei Sportlerinnen. Doktorarbeit.
Zürich.
Annette Wiegand und Thomas Attin.2006.Dentale Erosionen-präventive und therapeutische
Empfehlungen für Risikopatienten. Quintessenz. Zürich.
A. Wiegand und T. Attin. 2007. Ätiologie, Diagnostik und Therapie nichtkariöser
Zahnhartsubstanzdeffekte. Springer Medizin Verlag. Zürich
Filmquellen:
http://www.videoportal.sf.tv/video?id=a3f52115-e610-4779-8e90-fb3337ce3a1b
[Stand: 4.10.2011]
Internetquellen:
http://www.wirtschaftsblatt.at/home/schwerpunkt/dossiers/europameister/red-bull-35-milliardenargumente-fuer-den-dosen-king-326189/index.do [Stand: 12.8.2011]
http://de.wikipedia.org/wiki/Titration [Stand: 4.10.2011]
http://digitale-folien.de/biologie/mensch/verdauen/zahn.html [Stand: 4.10.2011]
http://www.zahn-lexikon.com/index.php/a/2428-aufbau-des-zahne [Stand: 4.10.2011]
http://de.wikipedia.org/wiki/Zahnschmelz [Stand: 4.10.2011]
http://de.wikipedia.org/wiki/Energy-Drink#Geschichte [Stand: 4.10.2011]
http://www.passjournal.at/prophylaxe/uebersicht.php?we_objectID=24 [Stand: 4.10.2011]
http://www.lifeline.de/zahngesundheit/zahnaesthetik/erosionen/content-145420.html
[Stand: 5.10.2011]
http://www.lifeline.de/zahngesundheit/zahnaesthetik/erosionen/content-145420.html
[Stand: 7.10.2011]
25
http://pages.unibas.ch/zmb/tafeln_REM_kellerWEB/aufbau.html [Stand: 13.10.2011]
http://de.wikipedia.org/wiki/Glimmentladung [Stand: 15.10.2011]
http://www.ulfkonrad.de/physik/allgemein/gluehemission.htm [Stand: 15.10.2011]
Bildquellen:
Abbildung 1:http://www.dzw.de/zahnmedizin/artikel/archive/2010/march/article/jung-unddynamisch-aber-zahnschmelz-kaputt.html [Stand: 7.10.2011]
Abbildung 2: http://www.braunwarth.de/patienten/patient-aufbau.htm [Stand: 13.10.2011]
Abbildung 5: http://pages.unibas.ch/zmb/tafeln_REM_kellerWEB/aufbau.html [Stand: 13.10.2011]
Die Bilder die hier nicht vorkommen, sind alle von mir selbst gefertigt worden.
10. Anhang
10.1 Eigenständigkeitserklärung
Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig und nur unter Benutzung der
angegebenen Quellen verfasst habe und ich auf eine eventuelle Mithilfe Dritter in der Arbeit
ausdrücklich hinweise.
Altendorf 18.10.2011
26
10.2 weitere Bilder zum Feldversuch
Dieses Bild zeigt die
Diamantdrahtsäge, die einen
Rinderzahn halbiert. Die Aufnahme
wurde an der ETH getätigt.
Auf dieser Fotografie sind die halbierten
Zähne mit Leit C (das Schwarz auf dem
Bild erscheint) auf den Probeträger
befestigt. Diese Aufnahme wurde
ebenfalls an der ETH gemacht.
Auf dem Bild, das am Zentrum für
Zahnmedizin entstanden ist, sind
Zähne zu erkennen, die mit einem
Tesafilm abgedeckt sind. Die
Schnürchen dienen zum Aufhängen
der Proben, während sie in der
Lösung eingelegt werden.
27
Auf diesem Foto ist die
Versuchsanordnung zu erkennen,
währen dem die Zähne für 30 Minuten
eingelegt wurden. Das Bild ist im
Zentrum für Zahnmedizin entstanden.
Auf diesem Bild ist ein Titrator
abgebildet, der im Zentrum für
Zahnmedizin fotografiert
wurde.
28