Eason Liao *
MASSPHOTON LIMITED Hongkong, Hongkong, HK1100, China, eason@massphoton.com
Xiaoxiao Wang
MASSPHOTON LIMITED Hongkong, Hongkong, HK1100, China, sunny@massphoton.com
Muhammad Furqan
Chase Farm Hospital National Health Service London, London, Vereinigtes Königreichm.furqanl@nhs.net
Muhammad Shafa
MASSPHOTON LIMITED Hongkong, Hongkong, HK1100, China, shafa@massphoton.com
Shuzhong Li
MASSPHOTON LIMITED Hongkong, Hongkong, HK1100, China, szl@massphoton.com
Guangjin Wang
MASSPHOTON LIMITED Hongkong, Hongkong, HK1100, China, gjw@massphoton.com
Abstrakt
Die LED-UV-C-LED-Technologie hat als innovative Lösung zur Kontrolle der Ausbreitung von Infektions- und Epidemiekrankheiten große Aufmerksamkeit erregt. Diese Studie integriert die UV-C-LED-Technologie auf innovative Weise in einen Munddesinfektor und entwickelt ein Luftdesinfektionssystem auf Basis der Umluftadsorption. Das System fängt effektiv Tröpfchen und Aerosole ein, die während der oralen Diagnose und Behandlung entstehen, und erreicht durch ein integriertes UV-C-LED-Sterilisationsmodul eine effiziente mikrobielle Inaktivierung. Als Testpersonen wurden nicht pathogene Escherichia coli und natürliche Umweltbakterien ausgewählt, um reale orale Behandlungsszenarien zu simulieren und die Sterilisationseffizienz zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass das Desinfektionsgerät eine Sterilisationsrate von 97,22 % für E. coli und 96,24 % für natürliche Bakterien erreicht, was eine hervorragende Wirksamkeit der mikrobiellen Luftdesinfektion beweist. Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, wurde außerdem die Bestrahlungsintensität an drei Schlüsselpositionen (links, in der Mitte, rechts) rund um den Desinfektor gemessen, wodurch bestätigt wurde, dass während des Betriebs kein UV-Leckagerisiko besteht. Diese Studie stellt eine systematische Untersuchung der UV-C-LED-Desinfektionstechnologie in simulierten oralen klinischen Umgebungen dar, liefert wichtige Daten zur Unterstützung der Bioaerosol-Inaktivierung und bietet theoretische und praktische Grundlagen für die Weiterentwicklung von Technologien zur Infektionskontrolle in Umgebungen der Mundgesundheitspflege.
Schlüsselwörter
UV-C-LED, Munddesinfektionsmittel, Luftsterilisation, Aerosole, Escherichia coli, Prävention
ACM -Referenzformat:
Eason Liao, Xiaoxiao Wang, Muhammad Furqan, Muhammad Shafa, Shuzhong Li und Guangjin Wang. 2025. Eine Studie zur Leistung
∗Korrespondierender Autor.
1 EINFÜHRUNG
Mit der kontinuierlichen Verbesserung des Lebensstandards, des Gesundheitsbewusstseins und der ästhetischen Wahrnehmung wird mehr Wert auf Zahnästhetik und Mundgesundheit gelegt, was zu einer täglichen Zunahme von Personen führt, die routinemäßige Mundpflege benötigen, und von Patienten mit Munderkrankungen. Allerdings weist der orale Diagnose- und Behandlungsprozess im Vergleich zur diagnostischen Qualität anderer Erkrankungen deutliche Besonderheiten auf. Instrumente wie Zahnspiegel, die Ärzte bei mündlichen Untersuchungen verwenden, Hochgeschwindigkeitshandstücke, die häufig bei zahnärztlichen Eingriffen eingesetzt werden, und Ultraschallbehandlungsgeräte erzeugen während der Operation Tröpfchen aus Speichel, Blut und anderen Substanzen des Patienten. Diese Tröpfchen vermischen sich mit Staubpartikeln in der Luft und bilden Aerosole, die in der Luft schweben bleiben [1-3]. Unter diesen verbleiben kleinere Aerosole über längere Zeiträume in der Luft, bevor sie sich auf Umgebungsoberflächen ablagern oder über die Atmung in den menschlichen Körper gelangen [4, 5]; Größere Tröpfchen folgen typischerweise ballistischen Flugbahnen und können noch in einer Entfernung von 2–4 Metern von der Behandlungsstelle erkannt werden [6], wobei ihre Konzentration mit zunehmender Entfernung von der Kontaminationsquelle abnimmt [7, 8]. Aerosolpartikel, die infektiöse Viren tragen, erhöhen das Infektionsrisiko für das Personal in zahnmedizinischen Abteilungen.
Derzeit konzentrieren sich die in verschiedenen Krankenhausabteilungen eingesetzten Luftdesinfektionsmethoden hauptsächlich auf die allgemeine Luftreinigung der oberen Schicht innerhalb der Klinik [9]. Bestehende Luftreinigungsgeräte zeigen eine wirksame bakterizide Wirksamkeit gegen bestimmte Partikel und Mikroorganismen in der zirkulierenden Raumluft [10, 11]. Dennoch ist ihre Leistung in speziellen Umgebungen wie Zahnkliniken begrenzt, wo während der Behandlung hochkonzentrierte, mit erheblichen Bakterienlasten beladene Tröpfchen aus nächster Nähe erzeugt werden. In zahnmedizinischen Behandlungsumgebungen, die durch eine hohe Patientenfluktuation und häufige Eingriffe gekennzeichnet sind, erleichtert die Nähe zwischen Ärzten und Patienten die schnelle Verbreitung von Tröpfchen – angetrieben durch die starken Aufprallkräfte therapeutischer Instrumente – in die unmittelbare Umgebung von Zahnärzten und Pflegepersonal. Herkömmliche Luftreiniger allein können weder eine rechtzeitige und effektive Entfernung luftgetragener Tröpfchen erreichen, noch können sie eine gezielte Sammlung und effiziente Desinfektion dieser Tröpfchen ermöglichen. Folglich gelingt es diesen Ansätzen nicht, die Tröpfchenübertragung bei zahnärztlichen Eingriffen grundsätzlich zu bekämpfen, was zu einem erhöhten Infektionsrisiko in der Klinik führt und erhebliche Gesundheitsrisiken für Ärzte und Pflegepersonal darstellt. Die Entwicklung eines Zahndesinfektionsgeräts, das in der Lage ist, tröpfchenbeladene Luft über der Mundhöhle des Patienten abzusaugen, ist von grundlegender Bedeutung für die wirksame Vorbeugung von Infektionen, die bei zahnärztlichen Behandlungsprozessen entstehen.
Das von MassPhoton unabhängig entwickelte und entworfene Munddesinfektionsgerät MassPhoton stellt die erste Integration aerodynamischer Prinzipien mit der quecksilberfreien UV-C-LED-Desinfektionstechnologie in einem einzigen Munddesinfektionsgerät dar. Die im Desinfektionsprozess verwendeten ultravioletten Leuchtdioden (UV-C-LEDs) nutzen Halbleiterchips, um elektrische Energie in ultraviolettes Licht umzuwandeln, was eine aufstrebende Desinfektionstechnologie darstellt. Diese Chips enthalten kein Quecksilber und erzeugen während des Umwandlungsprozesses keine schädlichen Gase wie Ozon, was ein erhebliches Potenzial für den Ersatz herkömmlicher chemischer Methoden, Quecksilberlampen und Xenonlampen bei der Desinfektion von Luft, Oberflächen und Wasser darstellt [12–16]. UV-C-LEDs emittieren ultraviolette Strahlung im Wellenlängenbereich von 260–280 nm und induzieren die Bildung von Pyrimidin-Dimeren (insbesondere Thymin/Uracil) in DNA und RNA, wodurch die Struktur des genetischen Materials verändert und Krankheitserreger unfähig zur Replikation werden [17]. Im Gegensatz zu herkömmlichen Desinfektionsmethoden, die die Raumluft als Ganzes behandeln, ermöglicht der MassPhoton Munddesinfektor die gezielte und sofortige Entfernung von Tröpfchen an ihrem Entstehungsort. Dieses Design verhindert wirksam die Ausbreitung von Tröpfchen innerhalb der Klinik und reduziert das Risiko einer Kreuzinfektion zwischen Gesundheitsdienstleistern und Patienten durch über Luft oder Blut übertragene Infektionskrankheiten erheblich.
2 MATERIAL UND METHODE
2.1 Material
Abbildung 1. Produktdiagramm und optische Simulation des UV-C-LED-Munddesinfektors: (a) 3D-Ansicht; (b) Seitenansicht; (c) UV-Leistungsdichteverteilung.
Diese Studie präsentiert das Design und die optische Simulation eines Munddesinfektionsgeräts auf Basis der UV-C-LED-Technologie, wie in Abbildung 1 dargestellt. Das auf Zahnkliniken zugeschnittene Desinfektionsgerät zielt darauf ab, Infektionsrisiken für medizinisches Personal und Patienten während der oralen Diagnose und Behandlung zu reduzieren. Es verwendet 275-nm-UV-C-LEDs und enthält an der Oberseite Materialien mit hohem Reflexionsvermögen (>90 % Reflexionsvermögen), um die Lichtstreuung zu verbessern und UV-Energieverluste zu minimieren. Optische Simulationen mithilfe von Raytracing-Software zeigen, dass die Oberfläche des Luftfilterkanals einer UV-Intensität von mehr als 794 W/cm2 ausgesetzt ist, wodurch eine Sterilisationsrate von 99 % für E. coli in 0,36 Sekunden erreicht wird [18]. Der MassPhoton Munddesinfektor ist intern mit einer hocheffizienten HEPA-Filtrationsstruktur ausgestattet, die Partikelstaub und verschiedene Schwebstoffe ≥0,5 m auffangen kann und so eine kompakte und energieeffiziente Lösung für die Infektionskontrolle in klinischen Umgebungen bietet.
2.2 Methode
Die in dieser Studie verwendeten Probenahmemethoden und Berechnungsformeln wurden gemäß Anhang D von GB 28235 – Hygieneanforderungen für Ultraviolett-Desinfektionsgeräte – durchgeführt. Dieser von der Staatlichen Verwaltung für Marktregulierung und der Normungsbehörde der Volksrepublik China herausgegebene Standard stellt einen nationalen Standard der Volksrepublik China dar und stellt so sicher, dass die experimentellen Verfahren und Ergebnisberechnungen sowohl streng professionell als auch wissenschaftlich fundiert sind.
3 ERGEBNISSE UND DISKUSSIONEN
3.1 UV-Bestrahlungsintensität
Ultraviolette (UV) Bestrahlungsstärke bezieht sich auf die Strahlungsleistung der pro Flächeneinheit empfangenen ultravioletten Strahlung, und ihre Größe bestimmt direkt die Wirksamkeit der UV-vermittelten Sterilisation. Eine unzureichende UV-Bestrahlungsstärke führt möglicherweise nicht zu einer ausreichenden Desinfektion, wohingegen eine zu hohe Bestrahlungsstärke zu unnötiger Energieverschwendung führen kann. Daher stellt die Festlegung der optimalen UV-Bestrahlungsstärke des Geräts eine vorrangige Designpriorität dar.
Tests ergaben, dass die im Zahndesinfektionsgerät verwendeten UV-C-LED-Perlen nach einer 5-minütigen Aufwärmphase Bestrahlungsstärkewerte im Bereich von 24.368,2 bis 27.134,5 W/cm2 aufwiesen, wenn sie in einem vertikalen Abstand von 2 cm direkt unter der Lampenmitte mit einer UV-Radiometersonde gemessen wurden, mit einer durchschnittlichen Bestrahlungsstärke von 25.956,0 W/cm2 (Tabelle 1).Diese Die Werte erfüllen die Anforderungen an die UV-Dosis für die Desinfektion in modernen klinischen Umgebungen vollständig.
3.2 UV-Leckagetest
Die meisten UV-Wellenlängen sind schädlich für menschliches Gewebe, wobei UV-A, UV-B und UV-C bekanntermaßen Haut- und Augenschäden unterschiedlichen Ausmaßes verursachen können [19-21]. Um die Sicherheit zu gewährleisten, muss die UV-Exposition minimiert oder beseitigt werden. Die Forscher maßen die UV-Bestrahlungsstärke an den linken, mittleren und rechten diagonalen Positionen um den Desinfektor herum, 30 cm vertikal vom Gerät entfernt, nachdem ein stabiler Betrieb erreicht war. Aus Gründen der Genauigkeit und Zuverlässigkeit wurde jede Messung dreimal wiederholt.
Die in Tabelle 2 dargestellten experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Werte der ultravioletten (UV) Bestrahlungsstärke, die an der linken, mittleren und rechten Position entlang des diagonalen Umfangs des Zahndesinfektionsgeräts in einem vertikalen Abstand von 30 cm gemessen wurden, alle unter dem Sicherheitsschwellenwert liegen. Diese Daten bestätigen, dass die UV-Leckage aus dem Gerät während des Betriebs deutlich unter den festgelegten Sicherheitsgrenzwerten liegt, kein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellt und eine echte Koexistenz von Mensch und Maschine ermöglicht. Dies gewährleistet umfassende Sicherheit für Ärzte und Patienten während des gesamten Behandlungsprozesses.
3.3 Prüfung der Desinfektionswirksamkeit
Bei oralen Behandlungen erzeugen Hochgeschwindigkeitshandstücke Aerosole aus Speichel, Blut und anderen Substanzen, die sich mit Lufttröpfchen vermischen und in der klinischen Umgebung schweben. Um die Wirksamkeit des Desinfektionsgeräts gegen häufig vorkommende Mikroben in der Umwelt zu bewerten, wurden professionelle mikrobielle Probenahme- und Kultivierungsmethoden eingesetzt. Als Testindikator wurde apathogener E. coli (8099) verwendet. Vor dem Betrieb des Desinfektors wurde eine E. coli-Suspension gleichmäßig auf die Saugöffnung gesprüht. Um reale Bedingungen zu simulieren, wurde am Auslass ein Handsprühgerät zum intermittierenden Sprühen (10 Sekunden) verwendet. Nach einem stabilen Betrieb sammelte ein sechsstufiger Sieb-Luftimpaktor E. coli-Koloniezahlen an den Saug- und Auslassöffnungen. Die Proben wurden kopfüber 48 Stunden lang bei 36 ± 0,5 °C inkubiert und anschließend die Kolonien gezählt.
Die Daten aus Tabelle 3 zeigen, dass die natürliche Bakterienkolonienzahl am Lufteinlass 611 KBE/m3 betrug (Abbildung 2a). Nach der Filtration und Sterilisation durch das Zahndesinfektionsgerät wurde die Koloniezahl am Luftauslass deutlich auf 17 KBE/m3 reduziert, wodurch eine Sterilisationseffizienz von 97,2 % erreicht wurde (Abbildung 2b). Wie in Abbildung 2 deutlich dargestellt, mindert der Filter- und Desinfektionsprozess des Geräts effektiv Infektionsrisiken im Zusammenhang mit der Übertragung von Mikroben, zeigt eine hervorragende Desinfektionsleistung und verleiht sinnvolle Funktionen bei der Vorbeugung von über Aerosole übertragenen Krankheiten.
Tabelle 3. Test auf E. coli-Bakterizidrate.
Tabelle 3 zeigt, dass die Saugöffnung vor der Sterilisation 611 KBE/m³ aufwies (Abbildung 2a), nach der Behandlung auf 17 KBE/m³ abfiel, was einer Sterilisationsrate von 97,22 % entspricht (Abbildung 2b). Abbildung 2 bestätigt visuell die Fähigkeit des Desinfektors, das Risiko einer mikrobiellen Übertragung deutlich zu reduzieren.
Abbildung 2. Vergleich von E. coli vor und nach der Sterilisation: (a) E. coli-Anzahl in der Luft vor dem Betrieb des Desinfektors; (b) E. coli-Zählung nach dem Betrieb des Desinfektors.
3.4 Beurteilung der bakteriziden Wirksamkeit bei mikrobieller Kontamination
Da die Lufteinlassöffnung des Geräts nach oben zeigt, während die Auslassöffnung nach unten ausgerichtet ist, können Schwankungen im Luftstrom und in der Verteilung von Mikroorganismen in der Luft (natürlich vorkommende Mikroorganismen in der Luft, hauptsächlich Bakterien, Pilze und Actinomyceten) auch innerhalb desselben Raums bestehen bleiben. Dies könnte möglicherweise die Wirksamkeit der Sterilisation beeinflussen.
Um sicherzustellen, dass die experimentellen Ergebnisse die tatsächliche keimtötende Leistung des Munddesinfektionsgeräts genau widerspiegeln, sammelten die Forscher vor und nach der Aktivierung des Geräts Luftproben sowohl an den Einlass- als auch an den Auslassöffnungen. Die gesammelten Petrischalen wurden in einem Inkubator mit konstanter Temperatur bei 36 ± 0,5℃ inkubiert. Nach der Inkubation wurde das Wachstum mikrobieller Kolonien auf den Schalen beobachtet und quantifiziert.
Die Daten aus Tabelle 4 zeigen, dass die natürliche Bakterienkolonienzahl am Lufteinlass vor dem Gerätebetrieb 41 KBE/m3 betrug (Abbildung 3a). Bei Aktivierung des Geräts konzentrierte der Luftstrom die natürlichen Umgebungsbakterien schnell am Einlass und erhöhte die Zahl auf 133 KBE/m3 (Abbildung 3b) – was einem Anstieg von 224,39 % gegenüber dem Basiswert der Aufnahme (41 KBE/m3) entspricht. Vor dem Betrieb betrug die Auslasskolonienzahl 36 KBE/m3 (Abbildung 3c) und unterschied sich nur um 5 KBE/m3 vom Einlass (41 KBE/m3), was eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung natürlicher Luftbakterien bestätigt. Nach der Aktivierung reduzierte eine hocheffiziente Filtration und Sterilisation die Auslasszahl von 36 KBE/m3 auf 5 KBE/m3 (Abbildung 3d) – ein Rückgang von 86,11 % im Vergleich zu den Werten vor der Operation. Der direkte Vergleich der betrieblichen Einlass- (133 KBE/m3) und Auslasswerte (5 KBE/m3) zeigt eine Reduzierung um 96,24 % am Auslass. Abbildung 3 zeigt einen visuellen Vergleich der natürlichen Bakterienkolonienzahlen vor und nach dem Durchgang durch das Zahndesinfektionsgerät und zeigt deutlich dessen überlegene bakterizide Wirksamkeit und Fähigkeit, eine sicherere und zuverlässigere Behandlungsumgebung für Gesundheitsdienstleister und Patienten zu bieten.
Tabelle 4. Test der Sterilisationsrate natürlicher Bakterien
Aus Tabelle 4 geht hervor, dass die Saugöffnung vor dem Betrieb 41 KBE/m³ hatte und während des Betriebs aufgrund der Luftstromaggregation auf 133 KBE/m³ anstieg (Anstieg um 224,39 %). Der Auslass hatte vorher 36 KBE/m³ und danach 5 KBE/m³, was einer Reduzierung von 86,11 % entspricht. Der Vergleich der Saugleistung (133 KBE/m³) mit der Auslassleistung (5 KBE/m³) während des Betriebs ergibt eine Sterilisationsrate von 96,24 %, wie in Abbildung 3 visuell bestätigt
Abbildung 3. Vergleich natürlicher Bakterien vor und nach der Sterilisation: (a) Anzahl natürlicher Bakterien vor dem Betrieb des Desinfektors; (b) Natürliche Bakterienzahl nach dem Betrieb des Desinfektors.
4 SCHLUSSFOLGERUNGEN
Krankenhäuser sind sich der Risiken, die mit der Übertragung von Krankheiten über die Luft einhergehen, derzeit weitgehend bewusst und setzen aktiv Präventionsmaßnahmen um. Es gibt jedoch noch immer keine wirksamen Lösungen für den Umgang mit Aerosolen, die bei zahnärztlichen Eingriffen entstehen. Das Zahndesinfektionsgerät MASSPHOTON integriert auf innovative Weise ultraviolette Leuchtdioden (UV-LEDs), Materialien mit hohem Reflexionsvermögen und hocheffiziente Filtertechnologien. UV-LEDs stellen eine aufstrebende ultraviolette Lichtquelle dar, wobei UV-C-LEDs deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen UV-Lampen auf Quecksilberbasis bieten, darunter eine quecksilberfreie Zusammensetzung, kein Aufwärmen erforderlich, eine längere Lebensdauer und eine kompakte Größe [22]. Zur Bewertung der bakteriziden Wirksamkeit von UV-C-LEDs wurden simulierte Szenarien eingesetzt, wobei Bestrahlungstests an Zielmikroorganismen (Escherichia coli) und natürlich vorkommenden Umweltbakterien durchgeführt wurden. Die Ergebnisse zeigten Desinfektionsraten von 97,22 % für E. coli und 96,24 % für natürliche Bakterien, was auf eine robuste antimikrobielle Leistung gegen in der Luft befindliche Krankheitserreger hinweist. Während des gesamten Betriebs zeigte das Gerät keinen Austritt von UV-Strahlung oder Ozonbildung, wodurch ein messbares Maß an Sicherheit für die Benutzer gewährleistet wurde. Bemerkenswert ist, dass das in dieser Studie untersuchte Gerät noch keinen klinischen Tests im Krankenhausbereich unterzogen wurde.
Zukünftig wird das Forschungsteam die Anwendung und Validierung dieser Errungenschaft in realen klinischen Umgebungen, beispielsweise in zahnmedizinischen Abteilungen von Krankenhäusern, fördern. Diese Initiative wird nicht nur eine sicherere Behandlungsumgebung für Gesundheitsdienstleister und Patienten schaffen, sondern auch eine solidere wissenschaftliche Grundlage für Fortschritte in verwandten Bereichen bieten.
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