an in vitro study using a laser Doppler vibrometer and an acceleration sensor

Ein Sportmundschutz zum Schutz des orofazialen Systems wird mittlerweile in vielen Sportarten verwendet. Der Nutzen individuell hergestellter Mundschutze ist vielfach erprobt und bestätigt. Allerdings besteht kein Konsens darüber, welche Materialeigenschaften, welche Schichtdicke oder welche Kombinationen von Materialien am besten schützen. In dieser In-vitro-Studie wurden die Schutzeigenschaften fünf verschiedener Mundschutztypen bei Kollisionen mit einem harten kleinen Aufprallobjekt getestet. Bisher widersprüchlich oder nicht beantwortete Aspekte zu harten Einlagen, Nylonnetzen und Lufträumen als Dämpfungsverstärkung im Frontzahnbereich und die Schutzwirkung von EVA sollten untersucht werden. Für die untersuchten Sportmundschutztypen wurden von der Firma Scheu-Dental (Iserlohn) verschiedene Ethylenvinylacetat-Materialien (EVA) (BIOPLAST: Elastizitätsmodul 15 MPa, XTREME PRO: 15–25 MPa), Polyethylenterephthalat-Glycol Copolyester (PET-G) (DURAN: 2200 MPa) und ein Nylonnetz verwendet, sowie in einem Mundschutztyp ein Luftraum eingearbeitet. Fünf verschiedene Mundschutztypen mit labialen Schichtdicken von 2–11 mm (labiale ursprüngliche Foliendicken addiert) und aus unterschiedlich harten Materialien wurden getestet und eine Versuchsreihe ohne Mundschutz wurde durchgeführt. Mittels eines Pendels mit (0,340 kg) oder ohne (0,205 kg) Zusatzgewicht und variabler Auslenkung (20° bis 120°) wurden Schläge unterschiedlicher Energie auf ein speziell hergestelltes Kiefermodell mit beweglich gelagertem Messzahn 11 ausgeübt. Je nach Auslenkung und Gewicht des Pendels variierte die einwirkende Energie (0,07 Joule bis 2,85 Joule). Der Messzahn war mit einer Rotationsachse beweglich gelagert, der Widerstand eines natürlichen Zahnes wurde mittels einer Zugfeder mit einer Federkonstante von 11,297 N/mm (Gutekunst + Co. KG) simuliert. Mittels eines Beschleunigungssensors (ACCELEROMETER, ICP, SHOCK, Model Number 350A14) wurde die Beschleunigung beim Aufprall auf den Messzahn (Bremsbeschleunigung) und auf die verschiedenen Mundschutze gemessen. Mit einem Laservibrometer (Polytec OFV 050 OPTICAL SCANNING HEAD und Polytec OFV 3000 VIBROMETER CONTROLLER) wurde die Messzahnauslenkung gemessen. Die Zahnauslenkungen wurden anschließend auf den Bereich des Limbus alveolaris umgerechnet. Jeder Mundschutztyp wurde dreimal hergestellt und jede Einzelsituation (jeweilige Pendelauslenkung mit und ohne Zusatzgewicht am Pendel) wurde fünfmal getestet. Die statistische Auswertung der Messergebnisse erfolgte mit dem Programm IBM SPSS Statistics 22. Das Signifikanzniveau wurde auf p < 0,05 festgelegt. Die biometrische Auswertung (Kruskal-Wallis-Test) zeigte bei keinem der dreifach hergestellten Mundschutztypen signifikante Unterschiede bezüglich der maximalen Auslenkung oder der Beschleunigung. Dies rechtfertigte eine Zusammenfassung der dreimaligen Herstellung zu jeweils einem Mundschutztyp (N ≥ 15) in den nachfolgenden statistischen Tests. Je größer die ausgeübte Energie auf den Messzahn beziehungsweise die Mundschutze war, desto stärker wurde dieser ausgelenkt. Sowohl eine Erhöhung der Pendelauslenkung (Kruskal- Wallis-Test, Jonckheere-Terpstra-Test), als auch das Anbringen eines Zusatzgewichtes (Mann-Whitney-Test) an das Pendel hatten statistisch signifikante Auswirkungen. Mit Steigerung der Pendelauslenkung (20°–120°) stieg die maximal erreichte Messzahnauslenkung und die Bremsbeschleunigung (bis 2000 g). Dabei waren die maximalen Bremsbeschleunigungen umso größer, je härter oder dünner das Material war, auf das das Pendel aufprallte. Bei allen Pendelgewichten und Pendelauslenkungen ergab der Globaltest (Kruskal-Wallis- Test) statistisch signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Mundschutztypen. Durch die Vergrößerung labialer Schichtdicken der Mundschutze wurde sowohl die Auslenkung des Messzahnes als auch die Bremsbeschleunigung reduziert. Die einzige Ausnahme stellt der Vergleich des Mundschutzes Nylonnetz (3 mm BIOPLAST + 0,5 mm Nylonnetz + 3 mm BIOPLAST) mit dem Mundschutz DURAN (2 mm BIOPLAST + 1,5 mm DURAN + 4 mm XTREME PRO) dar. Offenbar konnten die weicheren Materialien des Mundschutzes Nylonnetz bei Schlägen mit dem verwendeten Pendel, bei gleicher Energie, die Zahnauslenkung besser verhindern und die Bremsbeschleunigung stärker reduzieren als der mit härteren Materialien (DURAN und XTREME PRO) hergestellte Mundschutz DURAN. Mundschutz Hohlraum/DURAN mit der größten labialen Schichtdicke (2 mm Luftraum + 4 mm XTREME PRO + 2 mm DURAN + 3 mm BIOPLAST) verhinderte die Zahnauslenkung bei 90° Pendelauslenkung gegenüber den Messungen ohne Mundschutz um bis zu 99,7 % und die Bremsbeschleunigung bis zu 72,2 %. Dies war die deutlichste Reduktion aller getesteter Mundschutztypen. Es folgen der Mundschutz Nylonnetz, der Mundschutz DURAN und der Mundschutz BIOPLAST 3 mm. Der dünnste Mundschutz BIOPLAST 2 mm verhinderte die Zahnauslenkung und die Bremsbeschleunigung am geringsten. Im Vergleich zu der Versuchsreihe ohne Mundschutz reduzierte er die Zahnauslenkung bei 90° Pendelauslenkung um 8,5 % bis 28,9 % und die Bremsbeschleunigung um 15,6 % bis 37,5 %. Bei größeren Schlagenergien von 1,9 Joule reduzierte sich die Schutzwirkung aller getesteter Mundschutztypen im Vergleich zu Schlagenergien von 1,15 Joule. Die Messzahnauslenkung stieg bei den Mundschutzen aus weichen Materialien (BIOPLAST, Nylonnetz) prozentual viel deutlicher an (14–20 %), als bei den Kombinationen härterer Materialien (DURAN, XTREME PRO) (2–3,5 %). Die Energieverteilung durch harte Mundschutzmaterialien wie DURAN spielt bei höheren Schlagenergien (> 1,9 Joule) vermutlich eine größere Rolle für einen guten Schutz, als die Absorption der Energie durch weichere Materialien wie BIOPLAST. Der verwendete Versuchsaufbau lässt vergleichende Bewertungen der Schutzwirkung der verschiedenen Mundschutztypen bei den getesteten Schlagenergien zu. Generell lassen sich In-vitro-Ergebnisse allerdings nur bedingt auf klinische Situationen übertragen. Die Kombination aus großer labialer Mundschutzschichtdicke, eines Luftraums im Frontzahnbereich, der härteren Verstärkung (DURAN, XTREME PRO) im Frontzahnbereich und weicherem EVA (BIOPLAST) zeigte die besten Schutzeigenschaften. Auch bei Erhöhung der einwirkenden Energie wurde die Schutzwirkung kaum reduziert. Welcher Einzelfaktor (Schichtdicke, Härte des Materials, Ergänzung von Lufträumen, Lage der labialen Einlagen) letztlich entscheidend war, oder ob die Kombination aller Faktoren zu der deutlich besseren Schutzwirkung des Mundschutzes Hohlraum/DURAN gegenüber den anderen getesteten Mundschutztypen führte, sollte in weiterführenden Studien untersucht werden.Nowadays mouthguards are commonly used in a lot of sports for orofacial protection. The benefits of custom-made mouthguards have been tested and successfully approved numerous times. However, no consensus exists regarding the best mouthguard material, the optimal thickness or which combinations of materials offer the best protection. In this in vitro study the protective qualities of five different mouthguard types were examined during small hard object collisions. The aim was to investigate inconclusive aspects of hard inserts, nylon nets and air spaces as reinforcements in the anterior region and the protection qualities of EVA. For the fabrication of the athletic mouthguards different materials by Scheu-Dental (Iserlohn) were used: ethylene vinyl acetate (EVA) (BIOPLAST: Young´s modulus 15 MPa, XTREME PRO: 15–25 MPa), polyethylene terephthalate glycol-modified (PETG) (DURAN: 2200 MPa) and a nylon mesh. An air space between a layer of mouthguard material and the teeth was also incorporated. Five different mouthguard types with labial thicknesses of 2–11 mm (original foil thicknesses added) and of different levels of rigidness were tested and compared to a series of experiments without a mouthguard. A pendulum testing device with (0.340 kg) or without (0.205 kg) exchangeable weights and variable deflection (20°–120°) was used to induce different impact energies on a specially designed jaw model, in which a test tooth was incorporated. The induced energy (0.07–2.85 joule) varied depending on the weight and deflection of the pendulum. The test tooth was pivot-mounted having an axis of rotation and the resistance of the natural tooth was simulated using a tension spring (11.25 N/mm, Gutekunst + Co. KG). Using an acceleration sensor (ACCELEROMETER, ICP, SHOCK, model Number 350A14) the braking accelerations of the strikes on the test tooth or the different mouthguards were measured. A laser vibrometer (Polytec OFV 050 OPTICAL SCANNING HEAD and Polytec OFV 3000 CONTROLLERS VIBROMETER) measured the tooth deflection. Afterwards these tooth deflections were converted to the area of the limbus alveolaris. Every mouthguard type was fabricated three times and each single situation (varying pendulum deflection with and without extra weight on the pendulum) was tested five times respectively with each mouthguard. For the statistic evaluation of the measurement results the program IBM SPSS Statistics 22 was used. The significance level was fixed at p < 0.05. The biometric analysis (Kruskal-Wallis test) showed no significant differences concerning the duplication of the mouthguard types. This justified a summary of the three-time production of each mouthguard type (N ≥ 15) in the following statistical tests. The greater the performed energy on the test tooth or mouthguard was, the higher the deflection of the test tooth. Rises of the pendulum’s deflection (Kruskal-Wallis test, Jonckheere-Terpstra test) as well as the attachment of an additional weight to the pendulum (Mann-Whitney test) were found to be statistically significant. By increasing the pendulum’s deflection (20°–120°) the braking acceleration (up to 2,000 g) rose. Furthermore, the harder or thinner the material on which the pendulum impinged, the higher the braking acceleration was. A Global test (Kruskal- Wallis test) showed statistically significant differences between the various mouthguard types in all weight and deflection categories of the pendulum. By increasing the labial thickness of the used mouthguards the deflection of the test tooth as well as the braking acceleration were reduced. The only exception to this rule is the comparison of mouthguard Nylon Mesh (3 mm BIOPLAST + 0.5 mm nylon mesh + 3 mm BIOPLAST) and mouthguard DURAN (2 mm BIOPLAST + 1.5 mm DURAN + 4 mm XTREME PRO). Upon collisions (of the same energy) with the hard pendulum the softer materials used to produce mouthguard Nylon Mesh prevented the tooth deflection and high braking accelerations more efficiently than mouthguard DURAN that was produced using more rigid materials (DURAN and XTREME PRO). Mouthguard Air Space/DURAN (2 mm air space + 4 mm XTREME PRO + 2 mm DURAN + 3 mm BIOPLAST) with the highest labial thickness reduced the tooth deflection up to 99.7 % (at 90° pendulum deflection) and the braking acceleration up to 72.2 % compared to the series of tests without a mouthguard. In terms of protective capacities the mouthguard Air Space/DURAN is followed by the mouthguard Nylon Mesh, the mouthguard DURAN and the mouthguard BIOPLAST 3 mm. The thinnest mouthguard BIOPLAST 2 mm prevented the tooth deflection and braking acceleration the least. However, in comparison to the tests with no mouthguard (at 90° pendulum deflection) the tooth deflection was reduced by 8.5 % to 28.9 % and the braking acceleration was reduced by 15.6 % to 37.5 %. With increasing impact energy (> 1.9 joules) the energy distribution due to rigid mouthguard materials such as DURAN seems to be more important for a good mouthguard-protection than the energy absorption due to softer materials such as BIOPLAST (EVA). The experimental design used allowed the comparative assessments of the protective effect of different mouthguard types for the impact energies tested. However, results of in vitro studies are only limitedly comparable to clinical situations. In the present study the best protective properties were achieved by combining a high labial thickness, an air space in the anterior region, a harder reinforcement (DURAN, XTREME PRO) in the anterior region and softer EVA (BIOPLAST). Even with increasing impact energy, the protective effect was hardly reduced. Which of the factors (layer thickness, hardness of the material, inclusion of air space, position of labial inserts) was ultimately the most decisive, or whether the combination of all factors led to the significantly better protection of the mouthguard Air Space/DURAN over the other mouthguards tested should be investigated in further studies