Biokompatibiliteetti

5.5 Biokomposiittien ainutlaatuiset ominaisuudet ja mukautuvuus

Biokomposiitit ovat tulleet yhä suositummiksi hammaslääketieteessä niiden monien toivottujen ominaisuuksien, kuten mekaanisten ominaisuuksien, biokompatibiliteettien, biologisen yhteensopivuuden, bioaktiivisuuden, bakteereita ehkäisevän, kariesta ehkäisevän ja regeneratiivisen vaikutuksen, hammasrakenteeseen kiinnittymisen, helpon käyttökelpoisuuden ja korkean esteettisen arvonsa vuoksi. Biokomposiitteihin kuuluu niin suuri määrä materiaaleja, että kirjoittajat voivat käsitellä tässä vain joitakin niistä esimerkkeinä.

Biokomposiittien eri faasien (esim. jatkuvat ja diskreetit) väliset vuorovaikutukset määräävät niiden mekaanisen, fysikaalisen tai biologisen käyttäytymisen elävässä ympäristössä. Epäorgaanisten täyteainepartikkelien koolla, tyypillä ja paino-osuudella on merkittävä vaikutus PMMA:n taivutuslujuuteen, sitkeyteen ja pintakovuuteen (Nejatian et al., 2006). Tämä vaikutus näkyy PMMA-pohjaisissa luusementeissä, joissa luupartikkelit lisäävät sementin väsymiskestävyyttä ja jäykkyyttä (Park et al., 1986). Vastaavasti kuitukomposiittiset luulevyt ja reisiluun varret eivät ainoastaan indusoi paranemista paremmin, vaan niillä on myös suurempi joustavuus kuin metallisilla vastineilla (Jockisch et al., 1992).

Biomateriaalit, kuten HAp, kalsiumfosfaatit (β-TCP ja TTCP) wollastoniittilasikeramiikka (Saadaldin ja Rizkalla, 2014) ja bioaktiiviset lasit voivat indusoida bioaktiivisuutta ja luun kiinnittymiskykyä neutraaleihin keraameihin tai titaaniseoksiin (Ducheyne ja Qiu, 1999; Tanzer et al., 2004). Bioaktiivisuus on materiaalien kyky indusoida tietty biologinen vaste. Osteokonduktiivisuus, myrkyttömyys, tulehduksettomuus ja immunogeenisyys ovat HAp:n muita ominaisuuksia, jotka tekivät siitä suositun korjaavien ja regeneratiivisten materiaalien ainesosan (LeGeros, 1991). Biolasi stimuloi osteoblastien proliferaatiota ja osteogeneesiä geeniekspressioiden ja kalsium-, fosfori- ja pii-ionien vapautumisen avulla.

Joko matriisin tai täyteainepartikkelien hajoavuuden perusteella biokomposiitit luokitellaan biohajoaviin, osittain biohajoaviin ja hajoamattomiin. Kudostekniikan telineet ja resorboituvat ompeleet ovat esimerkkejä biohajoavista biokomposiiteista. PMMA-pohjaiset luusementit, joissa on biohajoavia HAp-täyteainehiukkasia, ovat osittain biohajoavia biokomposiitteja, jotka muodostavat matriisin luun vastustukselle. HAp:llä on osteokonduktiivisia ja osteoinduktiivisia ominaisuuksia, mikä tarkoittaa, että ne eivät ainoastaan toimi telineenä tällä hetkellä olemassa oleville osteoblasteille, vaan ne myös saavat aikaan uusien osteoblastien muodostumista (Barbieri et al., 2010; Kumar et al., 2013). Hammaslääketieteessä laajalti käytetyt hartsipohjaiset korjaavat ja ehkäisevät komposiitit ovat esimerkkejä biohajoamattomista biokomposiiteista. Ne on valmistettu polymeerimatriisista, kuten UDMA:sta, Bis-GMA:sta ja PMMA:sta, johon on sekoitettu biohajoamattomia täyteainehiukkasia. Täyteainehiukkaset vähentävät polymerisaatiokutistumaa, parantavat kulutuskestävyyttä, parantavat lujuutta ja vähentävät komposiittien veden sorptiota. Tämän seurauksena hartsikomposiitit säilyttävät muotonsa, kokonsa ja ulkonäkönsä sekä mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuutensa koko käyttöikänsä ajan (Lewandrowski et al., 2002). Vaikka näitä polymeerejä pidetään reagoimattomina sytotoksisina tai allergeenisina ja ne voivat aiheuttaa tahattomia reaktioita erityisesti hammashoitohenkilökunnan keskuudessa (Scott et al., 2004; Moharamzadeh et al., 2007), ne ovat neutraaleja ja turvallisia, kun ne on polymerisoitu. Biokomposiitit, joissa on polymeerimatriisi, ovat korroosionkestäviä ja niillä on suurempi esteettinen arvo verrattuna metalliseoksiin. Niillä on myös parempi väsymislujuus ja murtumissitkeys verrattuna keramiikkaan (Furtos et al., 2013); ne eivät kuitenkaan ole yhtä läpikuultavia kuin metalliseokset tai keramiikka (Furtos et al., 2012).

Ryhmä bioaktiivisia hammaskomposiitteja on kehitetty vähentämään karieksen aktiivisuutta joko tukahduttamalla suun bakteerien haitallista aktiivisuutta tai lisäämällä hampaan rakenteen haponkestävyyttä. Bioaktiivista lasia sisältäviä 45S5 BAG -täyteaineita on otettu käyttöön kuoppien ja halkeamien tiivisteenä karieksen estoaktiivisuuden ja hyväksyttävien mekaanisten ja fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi (Yang et al., 2013). Lasi-ionomeerit, hartsimodifioidut lasi-ionomeerit ja kompomeerit ovat muita esimerkkejä komposiittirakenteisista restauraatiomateriaaleista, jotka voivat varastoida ja vapauttaa fluoria suuonteloon (Wiegand ym., 2007). Fluori-ioni voi korvata hydroksidin HAp-kiteessä muodostaen haponkestävämpää fluoroapatiittia, helpottaa kiilteen remineralisaatiota ja estää kariogeenisten bakteerien, kuten Streptococcus mutansin, aineenvaihduntaa (Buzalaf et al., 2011). Luusementit voivat sisältää antibakteerisia aineita joko antibioottien, kuten gentamysiinin, tobramysiinin, vankomysiinin ja kefatsoliinin muodossa (Bistolfi et al., 2011) tai täyteainehiukkasten, kuten hopean nanohiukkasten tai kalsiumhydroksidihiukkasten muodossa (ks. kohta jäljempänä). Hopean nanohiukkasilla on osoitettu olevan antimikrobista aktiivisuutta joitakin haitallisia bakteerikantoja ja sieniä, kuten Candida albicansia vastaan (Mocanu et al., 2014).

Pehmeiden ja kovien kudosten parantaminen ja uudistaminen ovat aina olleet biomateriaalitieteiden pääpainopiste. Luultavasti suosituin esimerkki materiaalista, jolla on tällainen kyky, on kalsiumhydroksidi, jota on sisällytetty pääainesosana joihinkin rutiininomaisesti käytettyihin sellun peittämiseen ja juurikanavien sulkemiseen käytettäviin tiivisteisiin dentinogeneesin aikaansaamiseksi. Niitä käytetään joko sulkemaan ja suojaamaan altistunutta elintärkeää pulpakudosta ja antamaan mahdollisuus juuren kypsymiselle tai sulkeutumiselle (apexogenesis ja apexification). Tästä sementistä vapautuvat hydroksi-ionit aiheuttavat emäksisen pH:n, joka aiheuttaa liquefaktiivisen nekroosin pulpan pinnallisessa osassa, kun taas pulpan syvemmällä oleva alue säilyttää neutraalin pH:n ja stimuloi kovakudoksen muodostumista. Lisäksi emäksinen ympäristö tukahduttaa bakteeritoiminnan. Mineraalitrioksidiaggregaatti on toinen esimerkki näistä materiaaleista, jonka Torabinejad et al. (1993) esitteli materiaalina pulpan peittämiseen, juurikanavien täyttämiseen, perforaation korjaamiseen, apexifiointiin, apikaalisiin esteisiin ja revaskularisaatioon (Nagy et al., 2014). Lisäksi bioaktiivisten materiaalien komposiitteja, kuten biolasia tai biokeramiikkaa, käytetään pinnoitteena parantamaan titaanin ja titaanipohjaisten implanttien osteointegraatiota (Ning ja Zhou, 2002; Chu ym., 2006). On huomattava, että biomateriaalien koostumuksen lisäksi myös rakenne- ja pintaominaisuudet voivat vaikuttaa kudosvasteeseen. Esimerkiksi vain huokoiset materiaalit, joiden huokoskoko on yli 150 µm, sallivat implantteihin käytettynä kudoksen sisäänkasvun (Li ym., 1994; Simmons ym., 1999).

Adheesio hampaan rakenteeseen on toinen korjausmateriaalien toivottava ominaisuus. Lasi-ionomeeri ja hartsilla modifioitu lasi-ionomeeri ovat esimerkkejä materiaaleista, joilla on tällainen ominaisuus. Niiden kiinnittyminen tapahtuu mikroretention ja kemiallisen sidoksen kautta hammasrakenteen Ca-ioneihin (Almuhaiza, 2016). Sitä vastoin tavanomaisista hartsikomposiiteista puuttuu tämä ominaisuus; siksi ne tarvitsevat adhesiivista ainetta retentioon. Vastikään kehitetyt itseadhesiiviset hartsikomposiitit osoittivat lupaavia in vivo -tuloksia; riittävää kliinistä näyttöä on kuitenkin niukasti (Makishi et al., 2015). Kompomeerien sidos hammasrakenteeseen on heikko, ja se riittää vain pienten restauraatioiden säilyttämiseen matalan rasituksen kantavilla alueilla. Yleisesti ottaen hampaan kiinnityskyky poisti tarpeen destruktiivisille retentiivisille ominaisuuksille kaviteetin preparoinnissa ja avasi ovet vähemmän invasiivisille restauraatioille.

Keramiikka ja polymeeripohjaiset komposiitit ovat tulossa suosituimmiksi restauraatiomateriaaleiksi pääasiassa niiden asteittain paranevan esteettisen arvon, kestävyyden ja mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. Niitä on helppo käyttää eri sävyisinä ja läpikuultavuudeltaan erilaisina jäljittelemään hampaan luonnollista väriä tai peittämään värjäytyneitä hampaita. Polymeerikomposiitit voivat kovettua suoraan joko kemiallisen tai valolla aktivoidun polymerisaation avulla. Vaikka polymerisaation kutistuminen voi aiheuttaa stressiä restauraatiolle ja hampaan kiinnityspinnalle, mikä johtaa mikrovuotoon ja toistuvaan karieksen syntyyn, useimmissa tapauksissa se voidaan luotettavasti hallita oikealla tapauksen valinnalla ja levitystekniikalla.