5.5 Einzigartige Eigenschaften und Anpassungsfähigkeit von Biokompositen
Biokomposite sind in der Zahnmedizin aufgrund ihrer verschiedenen wünschenswerten Eigenschaften wie mechanische Eigenschaften, Biokompatibilität, Bioaktivität, antibakterielle Aktivität, karieshemmende und regenerative Aktivitäten, Haftung an der Zahnstruktur, einfache Anwendung und hoher ästhetischer Wert immer beliebter geworden. Biokomposite umfassen eine so große Anzahl von Materialien, dass die Autoren hier nur einige von ihnen beispielhaft erörtern können.
Interaktionen zwischen verschiedenen Phasen (z.B. kontinuierlich und diskret) von Biokompositen bestimmen ihr mechanisches, physikalisches oder biologisches Verhalten in der lebenden Umgebung. Größe, Art und Gewichtsanteil der anorganischen Füllstoffpartikel haben einen signifikanten Einfluss auf die Biegefestigkeit, Zähigkeit und Oberflächenhärte von PMMA (Nejatian et al., 2006). Dieser Effekt ist bei Knochenzementen auf PMMA-Basis zu beobachten, wo Knochenpartikel die Ermüdungsfestigkeit und Steifigkeit des Zements erhöhen (Park et al., 1986). In ähnlicher Weise bewirken Knochenplatten und Femurschäfte aus Faserverbundwerkstoffen nicht nur eine bessere Heilung, sondern weisen auch eine höhere Elastizität auf als ihre Gegenstücke aus Metall (Jockisch et al., 1992).
Biokompatibilität ist eine der Schlüsseleigenschaften von Biokompositen, allerdings ist die Definition dieses Begriffs nicht ganz einfach. Die Definition von Biokompatibilität hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, da Biomaterialien für verschiedene Zwecke an unterschiedlichen Stellen im menschlichen Körper eingesetzt werden. Darüber hinaus können die Wechselwirkungen zwischen den Materialien und der biologischen Umgebung ein breites Spektrum an lokalen und systemischen Reaktionen hervorrufen, die in einem bestimmten Zustand als heilend, neutral oder toxisch beurteilt werden können. Daher besteht nach wie vor eine große Unsicherheit bei der Definition von Biokompatibilität. Nach der neuesten Definition von David Williams bezieht sich
Biokompatibilität auf die Fähigkeit eines Biomaterials, die gewünschte Funktion in Bezug auf eine medizinische Therapie zu erfüllen, ohne unerwünschte lokale oder systemische Wirkungen beim Empfänger oder Nutznießer dieser Therapie hervorzurufen, sondern die am besten geeignete positive Zell- oder Gewebereaktion in dieser spezifischen Situation zu erzeugen und die klinisch relevante Leistung dieser Therapie zu optimieren
(Williams, 2008).
Biomaterialien wie HAp, Kalziumphosphate (β-TCP und TTCP), Wollastonit-Glaskeramik (Saadaldin und Rizkalla, 2014) und bioaktive Gläser können Bioaktivität und Knochenbindungsfähigkeit in neutralen Keramiken oder Titanlegierungen induzieren (Ducheyne und Qiu, 1999; Tanzer et al., 2004). Bioaktivität ist die Fähigkeit von Materialien, eine spezifische biologische Reaktion hervorzurufen. Osteokonduktivität, Nicht-Toxizität, Nicht-Entzündung und Nicht-Immunogenität sind weitere Eigenschaften von HAp, die es zu einem beliebten Bestandteil von Restaurations- und Regenerationsmaterialien gemacht haben (LeGeros, 1991). Bioglas stimuliert die Osteoblastenproliferation und Osteogenese durch Genexpression und die Freisetzung von Kalzium-, Phosphor- und Siliziumionen.
Basierend auf der Abbaubarkeit der Matrix oder der Füllstoffpartikel werden Biokomposite als biologisch abbaubar, teilweise biologisch abbaubar und nicht abbaubar klassifiziert. Beispiele für biologisch abbaubare Biokomposite sind Tissue Engineering Scaffolds und resorbierbares Nahtmaterial. Knochenzemente auf PMMA-Basis mit biologisch abbaubaren HAp-Füllstoffpartikeln sind teilweise biologisch abbaubare Biokomposite, die eine Matrix für den Knochenwiderstand bilden. HAp hat osteokonduktive und osteoinduktive Eigenschaften, was bedeutet, dass sie nicht nur als Gerüst für bereits vorhandene Osteoblasten dienen, sondern auch die Bildung neuer Osteoblasten anregen (Barbieri et al., 2010; Kumar et al., 2013). Die in der Zahnmedizin weit verbreiteten restaurativen und präventiven Komposite auf Harzbasis (Polymer) sind Beispiele für nicht biologisch abbaubare Biokomposite. Sie bestehen aus einer Polymermatrix wie UDMA, Bis-GMA und PMMA, die mit nicht biologisch abbaubaren Füllstoffpartikeln vermischt sind. Die Füllstoffpartikel verringern die Polymerisationsschrumpfung, erhöhen die Verschleißfestigkeit, verbessern die Festigkeit und verringern die Wassersorption der Verbundwerkstoffe. Infolgedessen behalten die Harzverbundwerkstoffe ihre Form, Größe und ihr Aussehen sowie ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften während ihrer gesamten Lebensdauer bei (Lewandrowski et al., 2002). Obwohl diese Polymere in unreagierter Form als zytotoxisch oder allergen gelten und insbesondere beim zahnärztlichen Personal ungewollte Reaktionen hervorrufen können (Scott et al., 2004; Moharamzadeh et al., 2007), sind sie nach der Polymerisation neutral und sicher. Biokomposite mit Polymermatrix sind korrosionsbeständig und haben im Vergleich zu Metalllegierungen einen höheren ästhetischen Wert. Sie weisen auch eine bessere Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit als Keramiken auf (Furtos et al., 2013); allerdings sind sie nicht so röntgenopak wie Metalllegierungen oder Keramiken (Furtos et al., 2012).
Eine Gruppe bioaktiver Dentalkomposite wurde entwickelt, um die Kariesaktivität zu verringern, indem sie entweder die schädliche Aktivität von Mundbakterien unterdrücken oder die Säurebeständigkeit der Zahnstruktur erhöhen. Bioaktive glashaltige 45S5 BAG-Füllstoffe werden aufgrund ihrer karieshemmenden Wirkung und ihrer akzeptablen mechanischen und physikalischen Eigenschaften als Gruben- und Fissurenversiegler eingesetzt (Yang et al., 2013). Glasionomere, kunststoffmodifizierte Glasionomere und Kompomere sind weitere Beispiele für Füllungsmaterialien mit Kompositstruktur, die Fluorid speichern und an die Mundhöhle abgeben können (Wiegand et al., 2007). Das Fluoridion kann das Hydroxid im HAp-Kristall ersetzen, wodurch säurebeständigeres Fluorapatit gebildet wird, die Remineralisierung des Zahnschmelzes erleichtert und der Stoffwechsel kariogener Bakterien wie Streptococcus mutans gehemmt wird (Buzalaf et al., 2011). Knochenzemente können antibakterielle Wirkstoffe entweder in Form von Antibiotika wie Gentamicin, Tobramycin, Vancomycin und Cephazolin (Bistolfi et al., 2011) oder in Form von Füllstoffpartikeln wie Silbernanopartikeln oder Kalziumhydroxidpartikeln enthalten (siehe Absatz unten). Silbernanopartikel haben nachweislich eine antimikrobielle Aktivität gegen einige schädliche Bakterienstämme und Pilze wie Candida albicans (Mocanu et al., 2014).
Die Heilung und Regeneration von Weich- und Hartgeweben war schon immer das Hauptaugenmerk der Biomaterialwissenschaften. Das wohl bekannteste Beispiel für ein Material mit einer solchen Fähigkeit ist Kalziumhydroxid, das als Hauptbestandteil einiger routinemäßig verwendeter Pulpaüberkappungen und Wurzelkanalversiegelungen zur Förderung der Dentinogenese eingesetzt wird. Diese werden verwendet, um entweder freiliegendes vitales Pulpagewebe abzudichten und zu schützen und die Möglichkeit zur Wurzelreifung oder zum Wurzelverschluss (Apexogenese und Apexifikation) zu schaffen. Die von diesem Zement freigesetzten Hydroxy-Ionen führen zu einem alkalischen pH-Wert, der im oberflächlichen Teil der Pulpa eine liquefaktive Nekrose verursacht, während der tiefere Bereich der Pulpa einen neutralen pH-Wert behält und die Bildung von Hartgewebe stimuliert. Darüber hinaus unterdrückt das alkalische Milieu die bakterielle Aktivität. Ein weiteres Beispiel für diese Materialien ist das Mineraltrioxid-Aggregat, das von Torabinejad et al. (1993) als Material für die Pulpaüberkappung, Wurzelkanalfüllung, Perforationsreparatur, Apexifizierung, apikale Barrieren und Revaskularisierung eingeführt wurde (Nagy et al., 2014). Darüber hinaus werden Komposite aus bioaktiven Materialien wie Bioglas oder Biokeramik als Beschichtung zur Verbesserung der Osteointegration von Titan und titanbasierten Implantaten verwendet (Ning und Zhou, 2002; Chu et al., 2006). Es ist zu beachten, dass nicht nur die Zusammensetzung, sondern auch die Struktur- und Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien die Gewebereaktion beeinflussen können. So ermöglichen beispielsweise nur poröse Materialien mit einer Porengröße von mehr als 150 µm bei der Verwendung in Implantaten das Einwachsen von Gewebe (Li et al., 1994; Simmons et al., 1999).
Eine weitere wünschenswerte Eigenschaft der Restaurationsmaterialien ist die Haftung an der Zahnstruktur. Glasionomer und kunststoffmodifiziertes Glasionomer sind Beispiele für Materialien mit einer solchen Fähigkeit. Ihre Haftung erfolgt durch Mikroretention und chemische Bindung an Ca-Ionen in der Zahnstruktur (Almuhaiza, 2016). Herkömmlichen Kompositmaterialien hingegen fehlt diese Eigenschaft; sie benötigen daher ein Adhäsiv für die Retention. Neu entwickelte selbstadhäsive Composites zeigten vielversprechende In-vivo-Ergebnisse, allerdings gibt es kaum ausreichende klinische Nachweise (Makishi et al., 2015). Compomere haben eine schwache Haftung an der Zahnsubstanz, die nur ausreicht, um kleine Restaurationen in wenig belasteten Bereichen zu halten. Durch die Fähigkeit, an den Zähnen zu haften, entfällt im Allgemeinen die Notwendigkeit destruktiver retentiver Maßnahmen bei der Kavitätenpräparation, und es werden weniger invasive Restaurationen möglich.
Keramik und Komposite auf Polymerbasis werden zu den beliebtesten Restaurationsmaterialien, vor allem aufgrund ihrer immer besseren Ästhetik, Haltbarkeit und mechanischen Eigenschaften. Sie lassen sich leicht in verschiedenen Farben und Transluzenzen einsetzen, um die natürliche Zahnfarbe zu imitieren oder verfärbte Zähne zu überdecken. Polymerkomposite können entweder durch chemische oder lichtaktivierte Polymerisation direkt aushärten. Obwohl die Polymerisationsschrumpfung eine Belastung für die Restauration und die Klebefläche darstellen kann, was zu Mikrolecks und wiederkehrender Karies führt, kann sie in den meisten Fällen durch eine korrekte Auswahl der Fälle und Anwendungstechnik zuverlässig kontrolliert werden.