Zahnbohrer

Ein Zahnbohrer dreht einen kleinen Fräser, den Bohrer im engeren Sinn, so schnell, dass er Schmelz und Dentin abträgt. Die ältesten angebohrten Zähne, mit Feuersteinspitzen an einem Bogenbohrer durchlocht, stammen aus Mehrgarh in Pakistan und sind nach Datierungen am Zahnschmelz etwa 5200 bis 4700 v. Chr. alt, frühere Schätzungen lauteten 7000 bis 5500 v. Chr. Ab 1871 trieb ein Fußpedal den Bohrer an, seit 1957 drehen ihn Luftturbinen mit Hunderttausenden Umdrehungen in der Minute.

Was es ist

Ein Zahnbohrer ist ein drehendes Werkzeug, das in einen Zahn schneidet. Zahnärzte entfernen damit Karies vor einer Füllung, beschleifen einen Zahn, der eine Krone tragen soll, und öffnen das Zahninnere für eine Wurzelbehandlung. Das schneidende Teil ist der Bohrer, ein kleiner Kopf aus Stahl, Hartmetall oder Diamantkorn auf einem dünnen Schaft. Er steckt in einem Handstück, das der Zahnarzt mit den Fingern führt wie einen Stift.

Der Bohrer selbst war immer winzig. Was ihn dreht, hat sich oft geändert: ein Bogen, die Finger oder eine Handkurbel, ein Uhrwerk, ein Fußpedal, ein Elektromotor und seit Ende der 1950er-Jahre eine kleine Turbine, die Druckluft antreibt.

Wie es funktioniert

Bohrer gibt es in vielen Kopfformen. Beim Drehen schaben ihre Schneiden feine Späne vom Zahn.

Ein Bohrer arbeitet wie ein winziger Fräser. Seine Schneiden oder die Diamantkörner auf seinem Kopf tragen beim Drehen Späne von Schmelz und Dentin ab. Zahnschmelz ist sehr hart, und ein langsamer Bohrer muss fest aufgedrückt werden und lässt den Zahn vibrieren. Jeder neue Antrieb zielte deshalb vor allem auf Tempo. Der Zahnarzt James B. Morrison aus St. Louis gab für seine Tretmaschine von 1871 etwa 2000 Umdrehungen pro Minute an, während ältere Handbohrer auf etwa 15 kamen. Handstücke mit Riemenantrieb liefen 1938 mit etwa 2000 Umdrehungen pro Minute, 1950 mit 6500.

Bei einer Tretmaschine wippt der Fuß ein Pedal auf und ab. Eine Pleuelstange dreht die Kurbel an einem schweren Antriebsrad, und eine Schnur überträgt die Drehung von der Rille dieses Rades auf kleine Rollen in den Gelenken eines Arms und schließlich auf eine Rolle am hinteren Ende des Handstücks. Im Handstück dreht sich mit dieser Rolle eine Stahlwelle, die vorn den Bohrer hält, während die äußere Hülse ruhig in der Hand des Zahnarztes liegt. Morrisons Patent sah Federn in den Gelenken vor, damit die Schnur gespannt bleibt, wenn sich der Arm bewegt. Andere Maschinen leiteten die Bewegung über eine biegsame Welle, eine Spirale aus Stahldraht, die sich in einer Hülle dreht und die der schottische Ingenieur James Nasmyth 1829 beschrieben hatte.

In der Luftturbine sitzt der Bohrer in der Mitte eines Rotors, den der Luftstrahl dreht.

Die Luftturbine kommt ohne Riemen und Welle aus. Druckluft strömt durch das Handstück und trifft im Kopf auf einen kleinen Schaufelrotor, in dessen Mitte der Bohrer eingespannt ist. Im Leerlauf dreht eine heutige Turbine nach Angaben des Herstellers W&H mit 330.000 bis 400.000 Umdrehungen pro Minute und fällt beim Schneiden auf etwa die Hälfte, weil sie wenig Drehmoment hat. Elektrische Mikromotoren drehen langsamer, bis etwa 40.000 Umdrehungen pro Minute, doch ein Winkelstück mit Getriebe übersetzt diese Drehzahl am Bohrer fünffach und hält sie auch unter Last. Bei solchen Drehzahlen erwärmt die Reibung den Zahn, deshalb sprühen heutige Handstücke durch kleine Düsen Wasser auf den Bohrer.

So geht’s

In diesem Versuch wird ein Modellzahn aus Gips mit einem Bogenbohrer angebohrt, um zu sehen, wie eine drehende Spitze in ein hartes Material schneidet. Mit Zahnbehandlung hat das nichts zu tun: Verwenden Sie niemals einen Bohrer, eine Feile oder ein anderes Werkzeug an einem echten Zahn, an einem Menschen oder an einem Tier.

Rühren Sie Modellgips mit Wasser an, gießen Sie ihn in einen kleinen Pappbecher und lassen Sie ihn einen Tag aushärten. Ziehen Sie den Becher ab: Dieser Gipsblock ist der Zahn. Für den Bohrer nehmen Sie einen geraden Rundstab aus Hartholz, etwa 25 cm lang und 10 mm dick. Bohren Sie in ein Ende ein kleines Loch und kleben Sie einen 3-mm-Bohrer hinein oder einen gehärteten Stahlnagel, dessen Spitze Sie scharf gefeilt haben. Runden Sie das andere Ende ab, damit es sich frei in einer flachen Mulde in einem kleinen Holzklotz dreht, dem Druckstück. Reiben Sie die Mulde mit Seife oder Kerzenwachs ein.

Der Bogen ist ein leicht federnder Stock von etwa 60 cm mit einer Schnur, die an beiden Enden festgebunden und so locker ist, dass sie einmal um den Stab passt. Spannen Sie den Gipsblock in einen Schraubstock oder mit einer Zwinge an die Werkbank. Legen Sie die Schnur einmal um den Stab, setzen Sie die Spitze auf den Gips, drücken Sie leicht auf das Druckstück und ziehen Sie den Bogen in langen Zügen vor und zurück. Der Stab dreht sich mal in die eine, mal in die andere Richtung, und die Spitze frisst sich in den Gips. Betrachten Sie das Loch mit einer Lupe: Seine Wände tragen feine kreisförmige Rillen, wie man sie in den Löchern von Mehrgarh gefunden hat.

Geschichte und Entwicklung

Ein Bogenbohrer mit Feuersteinspitze, wie er in Mehrgarh benutzt wurde, neben einem angebohrten Backenzahn.

Die ältesten angebohrten Zähne stammen aus einem jungsteinzeitlichen Gräberfeld in Mehrgarh im heutigen Pakistan. Die Ausgräber datierten es auf etwa 7000 bis 5500 v. Chr., Radiokarbondaten am Zahnschmelz von 23 der Bestatteten, 2025 von Benjamin Mutin und Kollegen veröffentlicht, setzen es dagegen auf etwa 5200 bis 4700 v. Chr. 2006 beschrieben Andrea Coppa, Roberto Macchiarelli und ihre Kollegen elf Backenzähne von neun Erwachsenen, jeder mit einem kleinen runden Loch von 1,3 bis 3,2 mm Breite und bis zu 3,5 mm Tiefe. Feine konzentrische Rillen an den Lochwänden weisen auf ein drehendes Werkzeug hin. Die Ränder waren vom Kauen geglättet, also wurde an lebenden Menschen gebohrt, und vier der Zähne zeigten neben dem Loch Karies. Dieselben Dorfbewohner durchbohrten Perlen aus Muschelschale und Türkis mit Feuersteinspitzen, die an Holzstäben saßen und mit einem Bogen gedreht wurden. Mit einem solchen Bohrer brachte das Team in weniger als einer Minute ein ähnliches Loch in menschlichen Zahnschmelz. In einem jüngeren Gräberfeld desselben Ortes fand sich kein angebohrter Zahn.

Danach wurde Karies Jahrtausende lang meist mit Handinstrumenten ausgekratzt oder mit kleinen, von Hand gedrehten Bohrern entfernt. 1790 baute John Greenwood, einer der Zahnärzte George Washingtons, aus einem Spinnrad einen Bohrer mit Fußantrieb. 1858 fertigte der Zahnarzt Charles Merry in St. Louis einen Handbohrer mit Nasmyths biegsamer Welle. 1864 brachte der englische Zahnarzt George Fellows Harrington den Erado heraus, einen Bohrer mit Uhrwerk, der nach einmaligem Aufziehen etwa zwei Minuten lief. Er war laut und unhandlich, und das Pedal verdrängte ihn bald.

Morrisons Tretbohrmaschine, patentiert am 7. Februar 1871 und ab dem folgenden Jahr verkauft, war die erste für den Verkauf gebaute Dentalmaschine mit Fußantrieb, und Zahnärzte in Europa und Amerika übernahmen sie. George F. Green baute in denselben Jahren eine elektrische Dentalmaschine, doch kaum eine Praxis hatte Strom, und sie setzte sich nicht durch. Im 20. Jahrhundert ersetzte der Elektromotor den Fuß, das Handstück aber lief weiterhin über einen Riemen und Rollen.

Härtere Bohrer aus Hartmetall oder mit Diamantbelag kamen Ende der 1940er-Jahre auf und machten hohe Drehzahlen lohnend. In Neuseeland entwickelte John Patrick Walsh, Dekan der Zahnmedizin an der Universität Otago, mit dem Dominion Physical Laboratory ein Handstück mit Luftturbine und ließ es 1949 patentieren. In den Vereinigten Staaten wurde John Bordens Airotor, 1957 eingeführt, das erste Turbinenhandstück mit Markterfolg; im Leerlauf drehte er bis zu 250.000-mal pro Minute. Heute arbeiten Zahnärzte mit Luftturbinen und elektrischen Mikromotoren nebeneinander, und die örtliche Betäubung erspart dem Patienten den Schmerz.