5.5 A biokompozitok egyedülálló tulajdonságai és alkalmazkodóképessége
A biokompozitok egyre népszerűbbek a fogászatban különböző kívánatos tulajdonságaik miatt, mint például a mechanikai tulajdonságok, biokompatibilitás, bioaktivitás, antibakteriális aktivitás, szuvasodásgátló és regeneráló aktivitás, fogszerkezethez való tapadás, könnyű felhasználhatóság és magas esztétikai érték. A biokompozitok olyan nagyszámú anyagot foglalnak magukban, hogy a szerzők itt csak néhányat tudnak példaként tárgyalni.
A biokompozitok különböző (pl. folytonos és diszkrét) fázisai közötti kölcsönhatások határozzák meg mechanikai, fizikai vagy biológiai viselkedésüket élő környezetben. A szervetlen töltőanyag-részecskék mérete, típusa és tömegfrakciója jelentős hatással van a PMMA hajlítószilárdságára, szívósságára és felületi keménységére (Nejatian et al., 2006). Ez a hatás a PMMA-alapú csontcementekben is megfigyelhető, ahol a csontrészecskék növelik a cement fáradási élettartamát és merevségét (Park és mtsai., 1986). Hasonlóképpen, a szálkompozit csontlemezek és femurszárak nemcsak jobban indukálják a gyógyulást, hanem nagyobb rugalmasságot is mutatnak, mint fém társaik (Jockisch et al., 1992).
A biokompatibilitás a biokompozitok egyik legfontosabb jellemzője, azonban e fogalom meghatározása nem egyszerű. A biokompatibilitás definíciója az évek során fejlődött, mivel a bioanyagokat különböző célokra használják az emberi test különböző helyein. Ezenkívül az anyagok és a biológiai környezet közötti kölcsönhatások a helyi és szisztémás reakciók széles skáláját okozhatják, amelyek egy adott állapotban gyógyítónak, semlegesnek vagy toxikusnak ítélhetők. Ezért még mindig nagy a bizonytalanság a biokompatibilitás meghatározása körül. David Williams legújabb definíciója szerint,
A biokompatibilitás arra utal, hogy egy bioanyag képes a kívánt funkciót ellátni egy orvosi terápiával kapcsolatban, anélkül, hogy a terápia befogadójában vagy kedvezményezettjében nemkívánatos helyi vagy szisztémás hatásokat váltana ki, hanem az adott helyzetben a legmegfelelőbb előnyös sejt- vagy szöveti választ generálja, és optimalizálja a terápia klinikailag releváns teljesítményét
(Williams, 2008).
Az olyan bioanyagok, mint a HAp, a kalcium-foszfátok (β-TCP és TTCP) wollastonit üvegkerámiák (Saadaldin és Rizkalla, 2014) és a bioaktív üvegek bioaktivitást és csontkötő képességet indukálhatnak semleges kerámiákban vagy titánötvözetekben (Ducheyne és Qiu, 1999; Tanzer és mtsai., 2004). A bioaktivitás az anyagok azon képessége, hogy egy adott biológiai választ indukáljanak. A csontkonduktivitás, a nem toxicitás, a gyulladásmentesség és a nonimmunogenitás a HAp további tulajdonságai, amelyek a restauratív és regeneratív anyagok kedvelt alkotóelemévé tették (LeGeros, 1991). A biokompozit a génexpresszió és a kalcium-, foszfor- és szilíciumionok felszabadítása révén serkenti az oszteoblasztok proliferációját és az oszteogenezist.
A biokompozitokat a mátrix vagy a töltőanyag részecskék lebonthatósága alapján biológiailag lebontható, részben biológiailag lebontható és nem lebontható kategóriákba sorolják. A biológiailag lebomló biokompozitokra példák a szövetszerkezeti állványok és a felszívódó varratok. A PMMA-alapú csontcementek biológiailag lebomló HAp töltőanyag-részecskékkel részben biológiailag lebomló biokompozitok, amelyek mátrixot biztosítanak a csont ellenállásához. A HAp oszteokonduktív és oszteoinduktív tulajdonságokkal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy nemcsak a jelenleg meglévő oszteoblasztok számára szolgálnak állványként, hanem új oszteoblasztok képződését is kiváltják (Barbieri és mtsai., 2010; Kumar és mtsai., 2013). A fogászatban széles körben használt műgyanta (polimer)-alapú restauratív és preventív kompozitok a nem biológiailag lebomló biokompozitok példái. Ezek polimer mátrixból, például UDMA-ból, Bis-GMA-ból és PMMA-ból készülnek, nem biológiailag lebomló töltőanyag-részecskékkel keverve. A töltőanyag-részecskék csökkentik a polimerizációs zsugorodást, fokozzák a kopásállóságot, javítják a szilárdságot és csökkentik a kompozitok vízszorpcióját. Ennek eredményeként a műgyanta kompozitok az élettartamuk alatt megőrzik alakjukat, méretüket és megjelenésüket, valamint mechanikai és fizikai tulajdonságaikat (Lewandrowski et al., 2002). Bár ezek a polimerek reagálatlan formában citotoxikusnak vagy allergénnek számítanak, és különösen a fogászati személyzet körében okozhatnak véletlen reakciókat (Scott és mtsai., 2004; Moharamzadeh és mtsai., 2007), polimerizálva semlegesek és biztonságosak. A polimer mátrixú biokompozitok korrózióállóak, és a fémötvözetekhez képest magasabb esztétikai értékkel rendelkeznek. A kerámiákkal összehasonlítva jobb fáradási szilárdságot és törési szívósságot is mutatnak (Furtos és mtsai., 2013); ugyanakkor nem olyan sugárzástűrőek, mint a fémötvözetek vagy kerámiák (Furtos és mtsai., 2012).
A bioaktív fogászati kompozitok egy csoportját fejlesztették ki a fogszuvasodás csökkentésére, vagy az orális baktériumok káros aktivitásának elnyomása, vagy a fogszerkezet savállóságának növelése révén. A 45S5 BAG töltőanyagot tartalmazó bioaktív üvegeket lyuk- és hasadéktömítő anyagokként vezetik be a szuvasodásgátló aktivitásuk és elfogadható mechanikai és fizikai tulajdonságaik miatt (Yang és mtsai., 2013). Az üvegionomerek, a műgyantával módosított üvegionomer és a kompomerek további példák a kompozit szerkezetű restaurációs anyagokra, amelyek képesek fluoridot tárolni és felszabadítani a szájüregi környezetben (Wiegand és mtsai., 2007). A fluoridion helyettesítheti a hidroxidot a HAp kristályban, savállóbb fluorapatitot képezve, elősegítheti a zománc remineralizációját, és gátolhatja a kariogén baktériumok, például a Streptococcus mutans anyagcseréjét (Buzalaf és mtsai., 2011). A csontcementek tartalmazhatnak antibakteriális hatóanyagokat akár antibiotikumok, például gentamicin, tobramicin, vancomycin és cephazolin formájában (Bistolfi et al., 2011), akár töltőanyag-részecskék, például ezüst nanorészecskék vagy kalcium-hidroxid részecskék formájában (lásd az alábbi bekezdést). Az ezüst nanorészecskékről kimutatták, hogy antimikrobiális hatással rendelkeznek néhány káros baktériumtörzzsel és gombával, például a Candida albicans-szal szemben (Mocanu et al., 2014).
A lágy és kemény szövetek gyógyítása és regenerációja mindig is a biomateriális tudományok középpontjában állt. Az ilyen képességgel rendelkező anyagok talán legnépszerűbb példája a kalcium-hidroxid, amelyet a dentinogenezis kiváltása érdekében néhány rutinszerűen használt pulpafedő és gyökércsatorna-tömítő anyag fő összetevőjeként építenek be. Ezeket arra használják, hogy lezárják és megvédjék az exponált vitális pulpális szöveteket, és esélyt adjanak a gyökér érésének vagy záródásának (apexogenezis és apexifikáció). A cementből felszabaduló hidroxi-ionok lúgos pH-t idéznek elő, ami a pulpa felszíni részében liquefaktív nekrózist okoz, míg a pulpa mélyebb területe semleges pH-t tart fenn, és serkenti a keményszövet-képződést. Ezenkívül a lúgos környezet elnyomja a bakteriális aktivitást. Az ásványi trioxid-aggregátum egy másik példa ezekre az anyagokra, amelyet Torabinejad és munkatársai (1993) mutattak be a pulpa fedésére, gyökércsatorna-tömésre, perforáció-javításra, apexifikációra, apikális gátakra és revaszkularizációra szolgáló anyagként (Nagy és munkatársai, 2014). Ezenkívül bioaktív anyagok kompozitjait, például bioglas vagy biokerámia bevonatként használják a titán és titánalapú implantátumok csontintegrációjának javítására (Ning és Zhou, 2002; Chu és mtsai., 2006). Meg kell jegyezni, hogy nemcsak az összetétel, hanem a bioanyagok szerkezeti és felületi jellemzői is befolyásolhatják a szöveti választ. Például csak a 150 µm-nél nagyobb pórusmérettel rendelkező porózus anyagok, ha implantátumokban használják őket, lehetővé teszik a szövetek beágyazódását (Li és mtsai., 1994; Simmons és mtsai., 1999).
A fogszerkezethez való tapadás a restauratív anyagok másik kívánatos tulajdonsága. Az üvegionomer és a gyantával módosított üvegionomer példák az ilyen képességgel rendelkező anyagokra. Tapadásuk a fogszerkezetben lévő Ca ionokhoz való mikroretenció és kémiai kötődés révén történik (Almuhaiza, 2016). Ezzel szemben a hagyományos műgyanta kompozitok nem rendelkeznek ezzel a tulajdonsággal, ezért adhéziós szerre van szükségük a megtartáshoz. Az újonnan kifejlesztett önadhezív műgyanta kompozitok ígéretes in vivo eredményeket mutattak; elegendő klinikai bizonyíték azonban kevés van (Makishi és mtsai., 2015). A kompozitok gyengén kötődnek a fogszerkezethez, csak a kis restaurációk megtartásához elegendőek az alacsony terhelésnek kitett területeken. Általánosságban a fogkötő képesség kiküszöbölte a destruktív retentív funkciók szükségességét az üregkészítés során, és megnyitotta az utat a kevésbé invazív restaurációk előtt.
A kerámiák és a polimer alapú kompozitok a legnépszerűbb restaurációs anyagok közé tartoznak, elsősorban fokozatosan javuló esztétikai értékük, tartósságuk és mechanikai tulajdonságaik miatt. Könnyen alkalmazhatók különböző árnyalatokkal és áttetszőséggel a természetes fogszín utánzására vagy az elszíneződött fogak elfedésére. A polimer kompozitok kémiai vagy fényaktivált polimerizációval közvetlenül megszilárdulhatnak. Bár a polimerizációs zsugorodás feszültséget jelenthet a restaurációra és a fogkötési felületre, ami mikroszivárgáshoz és visszatérő szuvasodáshoz vezethet, az esetek többségében ez megbízhatóan kontrollálható a helyes esetválasztással és alkalmazási technikával.