5.5 Proprietà uniche e adattabilità dei biocompositi
I biocompositi sono diventati sempre più popolari in odontoiatria grazie alle loro varie proprietà desiderabili come proprietà meccaniche, biocompatibilità, bioattività, attività antibatterica, attività cario-inibitoria e rigenerativa, adesione alla struttura dei denti, facilità d’uso e alto valore estetico. I biocompositi includono un numero così grande di materiali che gli autori possono discuterne qui solo alcuni come esempi.
Le interazioni tra le diverse fasi (per esempio, continue e discrete) dei biocompositi determinano il loro comportamento meccanico, fisico o biologico nell’ambiente di vita. La dimensione, il tipo e la frazione di peso delle particelle di riempitivo inorganico hanno un effetto significativo sulla resistenza alla flessione, la tenacità e la durezza superficiale del PMMA (Nejatian et al., 2006). Questo effetto si osserva nei cementi ossei a base di PMMA, dove le particelle ossee aumentano la durata a fatica e la rigidità del cemento (Park et al., 1986). Allo stesso modo, le piastre ossee e gli steli femorali in fibra composita non solo inducono una migliore guarigione, ma mostrano anche una maggiore resilienza rispetto alle controparti metalliche (Jockisch et al., 1992).
La biocompatibilità è una delle caratteristiche chiave dei biocompositi, tuttavia, definire questo termine non è semplice. La definizione di biocompatibilità si è evoluta nel corso degli anni in quanto i biomateriali vengono utilizzati per vari scopi in diverse posizioni del corpo umano. Inoltre, le interazioni tra i materiali e gli ambienti biologici possono causare una vasta gamma di risposte locali e sistemiche, che potrebbero essere giudicate come curative, neutre o tossiche in una particolare condizione. Pertanto c’è ancora molta incertezza intorno alla definizione di biocompatibilità. Secondo l’ultima definizione di David Williams,
la biocompatibilità si riferisce alla capacità di un biomateriale di svolgere la sua funzione desiderata rispetto a una terapia medica, senza suscitare alcun effetto indesiderato locale o sistemico nel destinatario o beneficiario di tale terapia, ma generando la risposta cellulare o tissutale benefica più appropriata in quella specifica situazione, e ottimizzando la prestazione clinicamente rilevante di tale terapia
(Williams, 2008).
Biomateriali come HAp, fosfati di calcio (β-TCP e TTCP) vetroceramica wollastonite (Saadaldin e Rizkalla, 2014), e vetri bioattivi possono indurre bioattività e capacità di legame osseo in ceramiche neutre o leghe di titanio (Ducheyne e Qiu, 1999; Tanzer et al., 2004). La bioattività è la capacità dei materiali di indurre una risposta biologica specifica. L’osteoconduttività, la non tossicità, la non infiammabilità e la non immunogenicità sono le altre proprietà dell’HAp che lo hanno reso un costituente popolare dei materiali restaurativi e rigenerativi (LeGeros, 1991). Bioglass stimola la proliferazione degli osteoblasti e l’osteogenesi attraverso l’espressione dei geni e il rilascio di calcio, fosforo e ioni di silicio.
In base alla degradabilità della matrice o delle particelle di riempimento, i biocompositi sono classificati come biodegradabili, parzialmente biodegradabili e non degradabili. Le impalcature di ingegneria tissutale e le suture riassorbibili sono esempi di biocompositi biodegradabili. I cementi ossei a base di PMMA con particelle di riempimento biodegradabili HAp sono biocompositi parzialmente biodegradabili, che forniscono una matrice per l’opposizione ossea. L’HAp ha proprietà osteoconduttive e osteoinduttive, il che significa che non solo servono da impalcatura per gli osteoblasti attualmente esistenti, ma stimolano anche la formazione di nuovi osteoblasti (Barbieri et al., 2010; Kumar et al., 2013). I compositi restaurativi e preventivi a base di resina (polimero) ampiamente utilizzati in odontoiatria sono esempi di biocompositi non biodegradabili. Questi sono fatti di matrice polimerica come UDMA, Bis-GMA e PMMA, mescolati con particelle di riempimento non biodegradabili. Le particelle di riempimento riducono la contrazione da polimerizzazione, aumentano la resistenza all’usura, migliorano la forza e riducono l’assorbimento d’acqua dei compositi. Come risultato, i compositi in resina mantengono la forma, le dimensioni e l’aspetto insieme alle loro proprietà meccaniche e fisiche per tutta la loro vita utile (Lewandrowski et al., 2002). Anche se questi polimeri sono considerati citotossici o allergenici in forme non reagite e possono causare reazioni involontarie specialmente tra il personale dentale (Scott et al., 2004; Moharamzadeh et al., 2007), sono neutri e sicuri una volta polimerizzati. I biocompositi con matrice polimerica sono resistenti alla corrosione con un valore estetico superiore rispetto alle leghe metalliche. Mostrano anche una migliore resistenza alla fatica e alla frattura rispetto alle ceramiche (Furtos et al., 2013); tuttavia, non sono radiopachi come le leghe metalliche o le ceramiche (Furtos et al., 2012).
Un gruppo di compositi dentali bioattivi è stato sviluppato per ridurre l’attività della carie sia sopprimendo l’attività dannosa dei batteri orali sia aumentando la resistenza agli acidi della struttura del dente. I vetri bioattivi contenenti riempitivi 45S5 BAG sono stati introdotti come sigillanti di fosse e fessure a causa delle attività di inibizione della carie e delle proprietà meccaniche e fisiche accettabili (Yang et al., 2013). Gli ionomeri di vetro, gli ionomeri di vetro modificati con resina e i compomeri sono altri esempi di materiali da restauro con struttura composita, che possono immagazzinare e rilasciare fluoruro nell’ambiente orale (Wiegand et al., 2007). Lo ione fluoruro può sostituire l’idrossido nel cristallo HAp, formando una fluoroapatite più resistente agli acidi, facilitare la remineralizzazione dello smalto e inibire il metabolismo dei batteri cariogeni come lo Streptococcus mutans (Buzalaf et al., 2011). I cementi ossei possono contenere agenti antibatterici sia sotto forma di antibiotici come gentamicina, tobramicina, vancomicina e cefazolina (Bistolfi et al., 2011) sia sotto forma di particelle di riempimento come nanoparticelle d’argento o particelle di idrossido di calcio (vedi paragrafo seguente). Le nanoparticelle d’argento hanno dimostrato di avere un’attività antimicrobica contro alcuni ceppi batterici nocivi e funghi come la Candida albicans (Mocanu et al., 2014).
La guarigione e la rigenerazione dei tessuti molli e duri sono sempre stati il principale obiettivo delle scienze dei biomateriali. Probabilmente l’esempio più popolare di materiale con tale capacità è l’idrossido di calcio, che è incorporato come ingrediente principale di alcuni tappatori di polpa e sigillanti canalari usati abitualmente per provocare la dentinogenesi. Questi sono usati per sigillare e proteggere il tessuto pulpare vitale esposto e fornire la possibilità di maturazione o chiusura della radice (apicogenesi e apicificazione). Gli ioni idrossi rilasciati da questo cemento inducono un pH alcalino, che causa necrosi liquefattiva nella porzione superficiale della polpa, mentre la zona più profonda della polpa mantiene un pH neutro e stimola la formazione di tessuto duro. Inoltre, l’ambiente alcalino sopprime l’attività batterica. L’aggregato di triossido minerale è un altro esempio di questi materiali, che è stato introdotto da Torabinejad et al. (1993) come materiale per la tappatura della polpa, l’otturazione del canale radicolare, la riparazione della perforazione, l’apicificazione, le barriere apicali e la rivascolarizzazione (Nagy et al., 2014). Inoltre, i compositi di materiali bioattivi, come il biovetro o la bioceramica, sono utilizzati come rivestimento per migliorare l’osteointegrazione degli impianti in titanio e a base di titanio (Ning e Zhou, 2002; Chu et al., 2006). Va notato che non solo la composizione, ma anche le caratteristiche strutturali e di superficie dei biomateriali possono influenzare la risposta dei tessuti. Per esempio, solo i materiali porosi con dimensioni dei pori maggiori di 150 µm, quando vengono usati negli impianti, permettono la crescita dei tessuti (Li et al., 1994; Simmons et al., 1999).
L’adesione alla struttura del dente è un’altra proprietà desiderabile dei materiali da restauro. Il vetro ionomero e il vetro ionomero modificato con resina sono esempi di materiali con tale capacità. La loro adesione avviene attraverso la micro ritenzione e il legame chimico agli ioni Ca nella struttura del dente (Almuhaiza, 2016). Al contrario, i compositi resinosi convenzionali mancano di questa proprietà; quindi hanno bisogno di un agente adesivo per la ritenzione. I compositi resinosi autoadesivi di recente sviluppo hanno mostrato risultati promettenti in vivo; tuttavia, le prove cliniche sufficienti sono scarse (Makishi et al., 2015). I compositi hanno una debole adesione alla struttura del dente, sufficiente solo a trattenere piccoli restauri in aree portanti a basso stress. In generale, la capacità di adesione al dente ha eliminato la necessità di elementi ritentivi distruttivi nella preparazione della cavità e ha aperto le porte a restauri meno invasivi.
Le ceramiche e i compositi a base di polimeri stanno diventando i materiali da restauro più popolari soprattutto grazie al loro progressivo miglioramento del valore estetico, della durata e delle proprietà meccaniche. Sono facili da usare con diverse tonalità e traslucenza per imitare il colore naturale del dente o mascherare i denti decolorati. I compositi polimerici possono essere fissati direttamente attraverso una polimerizzazione chimica o attivata dalla luce. Sebbene la contrazione da polimerizzazione possa mettere sotto stress il restauro e la superficie di adesione del dente, portando a microinfiltrazioni e carie ricorrenti, nella maggior parte dei casi può essere controllata in modo affidabile da una corretta selezione del caso e dalla tecnica di applicazione.