Löcher in Zähnen werden oft mit Füllungen aus flüssigem Kunststoff gestopft. Ausgehärtet werden diese Komposite, die im Mund modelliert werden, meist mithilfe von Photoinitiatoren (PI) und energiereicher Strahlung. Der chemische Zusatz bildet unter dem Einfluss von ultravioletter oder sichtbarer Strahlung reaktive Zwischenprodukte aus, die erst die gewünschte Polymerisationsreaktion auslösen. Dabei ist die Reaktivität des PI entscheidend für die Polymerisationsgeschwindigkeit – und damit etwa auch die Dauer der zahnärztlichen Behandlung von Karies – sowie die Durchhärtungstiefe der Zahnfüllung.
Seit Jahren im Einsatz, aber sehr teuer
Im medizinischen Bereich werden bereits seit etlichen Jahren nicht-toxische, germaniumbasierte Photoinitiatoren eingesetzt, so Michael Haas vom Institut für Anorganische Chemie an der TU Graz. Diese PI absorbieren langwelligeres Licht und benötigen im Vergleich zu anderen Verbindungen kein gesundheitlich bedenkliches UV-Licht. Im Dentalbereich haben sie sich bereits etabliert, obwohl ihre Produktion teuer kommt: Die Herstellungskosten für ein Kilogramm liegen laut Haas derzeit in der Größenordnung eines neuen Kleinwagens.
„Angesichts der geringen Mengen, die für Zahnfüllungen benötigt werden, fällt der Preis des Photoinitiators in der Dentalbranche kaum ins Gewicht. Für andere Anwendungen war die teure Produktion aber ein Hemmschuh“, erklärt der Chemiker. In diesem Bereich hat der Grazer Experte, der sich seit Jahren mit der Erforschung innovativer Photoinitiatoren beschäftigt, nun einiges weitergebracht: So entwickelte er eine neue Herstellungsmethode für germaniumbasierte PI, die deutlich einfacher, effizienter und kostengünstiger sein soll und im Gegensatz zur konventionellen Synthese auch noch ohne Schwefel auskommt.
Billiger und besser
„Es ist uns gelungen, einen alternativen Zugang zu dieser Verbindungsklasse zu etablieren, der einstufig ist und die Isolierung des Produkts geradezu simpel macht“, führt Haas aus, „bei unserer Reaktion wird kein Schwefel als Schutzgruppe, sondern Silizium eingesetzt“. In dem Prozess werden simultan mehrere siliziumbasierte Schutzgruppen abgespalten; die gewünschte Verbindung wird anschließend durch simples Auskristallisieren isoliert. Mit der neuen Methode würden sich nunmehr weitere interessante biomedizinische Anwendungen – etwa in der Herstellung von Kontaktlinsen, Prothesen, neuartigen Implantaten oder künstlichem menschlichen Gewebe ergeben.
Mit einem Industriepartner aus dem Bereich der Zahnmedizin (Ivoclar Vivadent AG) haben die Forscher den neuen Syntheseprozess bereits erforscht und getestet. Das Dentalunternehmen hatte schon bisher einen toxikologisch unbedenklichen Photoinitiator auf Germaniumbasis angeboten – für diesen sei die Synthese bisher jedoch aufwendig und mehrstufig abgelaufen, außerdem lagen Ausbeuteverluste vor. Durch die beabsichtigte Markteinführung des neuen Photoinitiators werden Zahnfüllungen aus Sicht des Grazer Experten künftig signifikant günstiger sein.
Viele Anwendungsszenarien
Haas ortet auch Potenzial für weitere biomedizinische Anwendungen wie etwa Kontaktlinsen: Hier waren die gesundheitlich unbedenklichen Initiatoren auf Germaniumbasis bisher überwiegend zu teuer, und es wurde auf phosphorbasierte Photoinitatoren zurückgegriffen. „Interessant wird es überall dort, wo die Verwendung von nicht toxischen Materialien von zentraler Bedeutung ist“, betont Haas.