Biokompatibilita

5.5 Jedinečné vlastnosti a přizpůsobivost biokompozitů

Biokompozity jsou v zubním lékařství stále oblíbenější díky svým různým žádoucím vlastnostem, jako jsou mechanické vlastnosti, biokompatibilita, bioaktivita, antibakteriální aktivita, inhibice zubního kazu a regenerační aktivity, přilnavost ke struktuře zubu, snadné použití a vysoká estetická hodnota. Biokompozity zahrnují tak velké množství materiálů, že zde autoři mohou pojednat pouze o některých z nich jako o příkladech.

Interakce mezi různými fázemi (např. spojitými a diskrétními) biokompozitů určují jejich mechanické, fyzikální nebo biologické chování v živém prostředí. Velikost, typ a hmotnostní podíl anorganických částic plniva mají významný vliv na pevnost v ohybu, houževnatost a povrchovou tvrdost PMMA (Nejatian et al., 2006). Tento efekt se projevuje u kostních cementů na bázi PMMA, kde kostní částice zvyšují únavovou životnost a tuhost cementu (Park et al., 1986). Podobně vláknové kompozitní kostní destičky a femorální dříky nejenže lépe navozují hojení, ale také vykazují vyšší odolnost než kovové protějšky (Jockisch et al., 1992).

Biomateriály, jako je HAp, fosfáty vápníku (β-TCP a TTCP) wollastonitová sklokeramika (Saadaldin a Rizkalla, 2014) a bioaktivní skla, mohou v neutrální keramice nebo slitině titanu vyvolat bioaktivitu a schopnost vazby na kost (Ducheyne a Qiu, 1999; Tanzer a kol., 2004). Bioaktivita je schopnost materiálů vyvolat specifickou biologickou odezvu. Osteokonduktivita, netoxičnost, nezánětlivost a neimunogenicita jsou další vlastnosti HAp, díky nimž se stal oblíbenou složkou výplňových a regeneračních materiálů (LeGeros, 1991). Biokompozity stimulují proliferaci osteoblastů a osteogenezi expresí genů a uvolňováním iontů vápníku, fosforu a křemíku.

Na základě rozložitelnosti buď matrice, nebo částic plniva se biokompozity dělí na biologicky rozložitelné, částečně biologicky rozložitelné a nerozložitelné. Příkladem biodegradabilních biokompozitů jsou scaffoldy pro tkáňové inženýrství a resorbovatelné stehy. Kostní cementy na bázi PMMA s biodegradabilními částicemi plniva HAp jsou částečně biodegradabilní biokompozity, které poskytují matrici pro kostní opozici. HAp mají osteokonduktivní a osteoinduktivní vlastnosti, což znamená, že slouží nejen jako lešení pro aktuálně existující osteoblasty, ale také vyvolají tvorbu nových osteoblastů (Barbieri et al., 2010; Kumar et al., 2013). Široce používané výplňové a preventivní kompozity na bázi pryskyřice (polymeru) ve stomatologii jsou příkladem nerozložitelných biokompozitů. Ty jsou vyrobeny z polymerní matrice, jako jsou UDMA, Bis-GMA a PMMA, smíchané s částicemi nebiodegradabilního plniva. Částice plniva snižují polymerační smrštění, zvyšují odolnost proti opotřebení, zlepšují pevnost a snižují sorpci vody v kompozitech. V důsledku toho si pryskyřičné kompozity zachovávají tvar, velikost a vzhled spolu s mechanickými a fyzikálními vlastnostmi po celou dobu životnosti (Lewandrowski et al., 2002). Ačkoli jsou tyto polymery v nezreagovaných formách považovány za cytotoxické nebo alergenní a mohou způsobit neúmyslné reakce speciálně u zubního personálu (Scott et al., 2004; Moharamzadeh et al., 2007), po polymerizaci jsou neutrální a bezpečné. Biokompozity s polymerní matricí jsou odolné proti korozi s vyšší estetickou hodnotou ve srovnání s kovovými slitinami. Vykazují také lepší únavovou pevnost a lomovou houževnatost ve srovnání s keramikou (Furtos et al., 2013); nejsou však tak rentgenkontrastní jako kovové slitiny nebo keramika (Furtos et al., 2012).

Skupina bioaktivních dentálních kompozitů byla vyvinuta za účelem snížení aktivity zubního kazu buď potlačením škodlivé aktivity ústních bakterií, nebo zvýšením odolnosti struktury zubu vůči kyselinám. Bioaktivní skla obsahující výplně 45S5 BAG se zavádějí jako pečetidla jamek a štěrbin kvůli aktivitě potlačující vznik zubního kazu a přijatelným mechanickým a fyzikálním vlastnostem (Yang et al., 2013). Skleněné ionomery, pryskyřicí modifikované skleněné ionomery a kompomery jsou dalšími příklady výplňových materiálů s kompozitní strukturou, které mohou uchovávat a uvolňovat fluoridy v ústním prostředí (Wiegand et al., 2007). Fluoridový iont může nahradit hydroxid v krystalu HAp, čímž vzniká fluoroapatit odolnější vůči kyselinám, usnadňuje remineralizaci skloviny a inhibuje metabolismus kariogenních bakterií, jako je Streptococcus mutans (Buzalaf et al., 2011). Kostní cementy mohou obsahovat antibakteriální látky buď ve formě antibiotik, jako jsou gentamicin, tobramycin, vankomycin a cefazolin (Bistolfi et al., 2011), nebo ve formě částic plniva, jako jsou nanočástice stříbra nebo částice hydroxidu vápenatého (viz odstavec níže). Ukazuje se, že nanočástice stříbra mají antimikrobiální aktivitu proti některým škodlivým bakteriálním kmenům a plísním, jako je Candida albicans (Mocanu et al., 2014).

Hojení a regenerace měkkých a tvrdých tkání byly vždy hlavním předmětem zájmu biomateriálových věd. Pravděpodobně nejoblíbenějším příkladem materiálu s takovou schopností je hydroxid vápenatý, který je součástí některých rutinně používaných materiálů pro uzavírání dřeně a kořenových kanálků jako hlavní složka pro vyvolání dentinogeneze. Ty se používají buď k utěsnění a ochraně obnažené vitální pulpální tkáně a k poskytnutí šance pro zrání nebo uzavření kořene (apexogeneze a apexifikace). Hydroxylové ionty uvolňované z tohoto cementu vyvolávají alkalické pH, které způsobuje v povrchové části dřeně liquifaktivní nekrózu, zatímco hlubší oblast dřeně si zachovává neutrální pH a stimuluje tvorbu tvrdé tkáně. Alkalické prostředí navíc potlačuje bakteriální aktivitu. Dalším příkladem těchto materiálů je agregát z minerálního trioxidu, který zavedl Torabinejad et al. (1993) jako materiál pro uzávěr pulpy, výplň kořenových kanálků, opravu perforací, apexifikaci, apikální bariéry a revaskularizaci (Nagy et al., 2014). Kromě toho se kompozity z bioaktivních materiálů, jako je biosklo nebo biokeramika, používají jako povlaky pro zlepšení osteointegrace titanu a implantátů na bázi titanu (Ning a Zhou, 2002; Chu et al., 2006). Je třeba poznamenat, že nejen složení, ale také strukturální a povrchové vlastnosti biomateriálů mohou také ovlivnit reakci tkání. Například pouze porézní materiály s velikostí pórů větší než 150 µm, pokud jsou použity v implantátech, umožňují prorůstání tkání (Li et al., 1994; Simmons et al., 1999).

Adheze ke struktuře zubu je další žádoucí vlastností výplňových materiálů. Skleněný ionomer a pryskyřicí modifikovaný skleněný ionomer jsou příklady materiálů s touto schopností. Jejich vazba probíhá prostřednictvím mikroretenze a chemické vazby na ionty Ca ve struktuře zubu (Almuhaiza, 2016). Naopak konvenční pryskyřičné kompozity tuto vlastnost postrádají, proto k retenci potřebují adhezivum. Nově vyvinuté samoadhezivní pryskyřičné kompozity vykazují slibné výsledky in vivo; dostatečných klinických důkazů je však málo (Makishi et al., 2015). Kompozitory mají slabou vazbu ke struktuře zubu, která postačuje pouze k udržení malých výplní v málo namáhaných nosných oblastech. Obecně schopnost vazby na zuby eliminovala potřebu destruktivních retenčních prvků při preparaci dutiny a otevřela dveře k méně invazivním výplním.

Keramika a kompozity na bázi polymerů se stávají nejoblíbenějšími výplňovými materiály především díky jejich postupně se zlepšující estetické hodnotě, trvanlivosti a mechanickým vlastnostem. Lze je snadno použít s různým odstínem a průsvitností, aby napodobily přirozenou barvu zubů nebo maskovaly odbarvené zuby. Polymerní kompozity mohou přímo tvrdnout buď chemickou, nebo světlem aktivovanou polymerizací. Ačkoli polymerační smršťování může představovat napětí na povrchu výplně a zubního spoje, což vede k mikroúnikům a recidivujícím kazům, ve většině případů jej lze spolehlivě kontrolovat správným výběrem případu a technikou aplikace.