Biokompatybilność

5.5 Unikalne właściwości i zdolności adaptacyjne biokompozytów

Biokompozyty zyskują coraz większą popularność w stomatologii ze względu na ich różnorodne pożądane właściwości, takie jak: właściwości mechaniczne, biokompatybilność, bioaktywność, aktywność przeciwbakteryjna, aktywność hamująca próchnicę i regeneracyjna, adhezja do struktury zęba, łatwość stosowania i wysokie walory estetyczne. Biokompozyty obejmują tak dużą liczbę materiałów, że autorzy mogą tutaj omówić tylko niektóre z nich jako przykłady.

Interakcje pomiędzy różnymi fazami (np. ciągłymi i dyskretnymi) biokompozytów determinują ich mechaniczne, fizyczne lub biologiczne zachowanie w środowisku żywym. Wielkość, rodzaj i ułamek wagowy cząstek napełniacza nieorganicznego mają znaczący wpływ na wytrzymałość na zginanie, ciągliwość i twardość powierzchni PMMA (Nejatian i in., 2006). Efekt ten jest widoczny w cementach kostnych na bazie PMMA, gdzie cząstki kości zwiększają trwałość zmęczeniową i sztywność cementu (Park et al., 1986). Podobnie, płytki kostne i trzpienie udowe z kompozytów włóknistych nie tylko lepiej indukują gojenie, ale również wykazują większą sprężystość niż ich metalowe odpowiedniki (Jockisch i in., 1992).

Biomateriały takie jak HAp, fosforany wapnia (β-TCP i TTCP) szkło-ceramika wollastonitowa (Saadaldin i Rizkalla, 2014) oraz szkła bioaktywne mogą indukować bioaktywność i zdolność wiązania kości w neutralnej ceramice lub stopach tytanu (Ducheyne i Qiu, 1999; Tanzer i in., 2004). Bioaktywność to zdolność materiałów do wywoływania określonej odpowiedzi biologicznej. Osteokonduktywność, nietoksyczność, niezapalność i nieimmunogenność to inne właściwości HAp, które sprawiły, że stał się on popularnym składnikiem materiałów wypełnieniowych i regeneracyjnych (LeGeros, 1991). Bioglass stymuluje proliferację osteoblastów i osteogenezę poprzez ekspresję genów i uwalnianie jonów wapnia, fosforu i krzemu.

Na podstawie degradowalności zarówno matrycy jak i cząstek wypełniacza, biokompozyty są klasyfikowane jako biodegradowalne, częściowo biodegradowalne i nie biodegradowalne. Przykładami biokompozytów biodegradowalnych są rusztowania do inżynierii tkankowej i szwy resorbowalne. Cementy kostne na bazie PMMA z biodegradowalnymi cząsteczkami wypełniacza HAp są biokompozytami częściowo biodegradowalnymi, stanowiącymi matrycę dla opozycji kostnej. HAp posiadają właściwości osteokondukcyjne i osteoindukcyjne, co oznacza, że nie tylko służą jako rusztowanie dla obecnie istniejących osteoblastów, ale również będą stymulować powstawanie nowych osteoblastów (Barbieri i in., 2010; Kumar i in., 2013). Przykładem niebiodegradowalnych biokompozytów są powszechnie stosowane w stomatologii kompozyty wypełnieniowe i profilaktyczne na bazie żywic (polimerów). Są one wykonane z matrycy polimerowej, takiej jak UDMA, Bis-GMA i PMMA, zmieszanej z niebiodegradowalnymi cząsteczkami wypełniaczy. Cząstki napełniaczy zmniejszają skurcz polimeryzacyjny, zwiększają odporność na ścieranie, poprawiają wytrzymałość i zmniejszają sorpcję wody w kompozytach. W rezultacie kompozyty żywiczne zachowują swój kształt, rozmiar i wygląd oraz właściwości mechaniczne i fizyczne przez cały okres użytkowania (Lewandrowski et al., 2002). Chociaż polimery te są uważane za cytotoksyczne lub alergizujące w postaci nieprzereagowanej i mogą powodować niezamierzone reakcje, szczególnie wśród personelu stomatologicznego (Scott i in., 2004; Moharamzadeh i in., 2007), to po spolimeryzowaniu są one neutralne i bezpieczne. Biokompozyty z osnową polimerową są odporne na korozję i mają wyższe walory estetyczne w porównaniu ze stopami metali. Wykazują również lepszą wytrzymałość zmęczeniową i odporność na złamanie w porównaniu z ceramiką (Furtos i in., 2013); nie są jednak tak radioprzezierne jak stopy metali lub ceramika (Furtos i in., 2012).

Grupa bioaktywnych kompozytów stomatologicznych została opracowana w celu zmniejszenia aktywności próchnicy albo poprzez tłumienie szkodliwej aktywności bakterii jamy ustnej, albo zwiększenie kwasoodporności struktury zęba. Bioaktywne szkło zawierające wypełniacze 45S5 BAG jest wprowadzane jako uszczelniacze bruzd i szczelin ze względu na aktywność hamującą próchnicę oraz akceptowalne właściwości mechaniczne i fizyczne (Yang i in., 2013). Jonomery szklane, modyfikowane żywicą jonomery szklane oraz kompomery to kolejne przykłady materiałów wypełnieniowych o strukturze kompozytowej, które mogą magazynować i uwalniać fluorki w środowisku jamy ustnej (Wiegand i in., 2007). Jon fluorkowy może zastąpić wodorotlenek w krysztale HAp, tworząc bardziej odporny na kwas fluoroapatyt, ułatwiać remineralizację szkliwa i hamować metabolizm bakterii kariogennych, takich jak Streptococcus mutans (Buzalaf et al., 2011). Cementy kostne mogą zawierać środki przeciwbakteryjne w postaci antybiotyków, takich jak gentamycyna, tobramycyna, wankomycyna i cefazolina (Bistolfi i in., 2011) lub w postaci cząstek wypełniacza, takich jak nanocząstki srebra lub cząstki wodorotlenku wapnia (patrz paragraf poniżej). Wykazano, że nanocząstki srebra wykazują aktywność przeciwdrobnoustrojową wobec niektórych szkodliwych szczepów bakterii i grzybów, takich jak Candida albicans (Mocanu et al., 2014).

Uzdrawianie i regeneracja tkanek miękkich i twardych były zawsze głównym przedmiotem zainteresowania nauk biomateriałowych. Prawdopodobnie najbardziej popularnym przykładem materiału o takiej zdolności jest wodorotlenek wapnia, który jest włączony jako główny składnik niektórych z rutynowo stosowanych środków do zabezpieczania miazgi i uszczelniania kanałów korzeniowych w celu wywołania dentynogenezy. Stosuje się je w celu uszczelnienia i ochrony odsłoniętej, żywotnej tkanki miazgi oraz zapewnienia szansy na dojrzewanie lub zamknięcie korzenia (apeksogeneza i apeksyfikacja). Uwalniane z tego cementu jony hydroksylowe indukują zasadowe pH, co powoduje upłynnienie martwicy w powierzchniowej części miazgi, podczas gdy głębsze obszary miazgi zachowują neutralne pH i stymulują tworzenie się tkanki twardej. Ponadto środowisko alkaliczne hamuje aktywność bakterii. Innym przykładem tych materiałów jest kruszywo z trójtlenku mineralnego, które zostało wprowadzone przez Torabinejada i wsp. (1993) jako materiał do pokrycia miazgi, wypełnienia kanałów korzeniowych, naprawy perforacji, apeksyfikacji, barier wierzchołkowych i rewaskularyzacji (Nagy i wsp., 2014). Ponadto kompozyty materiałów bioaktywnych, takich jak bioglass lub bioceramika, są stosowane jako powłoki poprawiające osteointegrację implantów tytanowych i tytanopochodnych (Ning i Zhou, 2002; Chu i in., 2006). Należy zauważyć, że nie tylko skład, ale również cechy strukturalne i powierzchniowe biomateriałów mogą również wpływać na odpowiedź tkanek. Na przykład, tylko materiały porowate o wielkości porów większej niż 150 µm, stosowane w implantach, umożliwiają wrastanie tkanek (Li i in., 1994; Simmons i in., 1999).

Przyleganie do struktury zęba jest kolejną pożądaną właściwością materiałów wypełnieniowych. Przykładami materiałów o takiej zdolności są szkło-jonomer i szkło-jonomer modyfikowany żywicą. Ich łączenie odbywa się poprzez mikroretencję i chemiczne wiązanie z jonami Ca w strukturze zęba (Almuhaiza, 2016). Przeciwnie, konwencjonalne kompozyty żywiczne nie posiadają tej właściwości, dlatego do retencji potrzebują środka adhezyjnego. Nowo opracowane samoprzylepne kompozyty żywiczne wykazały obiecujące wyniki in vivo, jednak wystarczające dowody kliniczne są nieliczne (Makishi i in., 2015). Kompozyty charakteryzują się słabym wiązaniem ze strukturą zęba, wystarczającym jedynie do utrzymania małych uzupełnień w miejscach o niskim obciążeniu. Ogólnie rzecz biorąc, zdolność do łączenia zębów wyeliminowała potrzebę stosowania destrukcyjnych elementów retencyjnych w preparacji ubytku i otworzyła drzwi do mniej inwazyjnych uzupełnień.

Ceramika i kompozyty na bazie polimerów stają się najpopularniejszymi materiałami wypełnieniowymi głównie ze względu na ich stopniowo poprawiające się walory estetyczne, trwałość i właściwości mechaniczne. Można je łatwo stosować w różnych odcieniach i przezierności, aby naśladować naturalny kolor zębów lub maskować przebarwione zęby. Kompozyty polimerowe mogą wiązać się bezpośrednio poprzez polimeryzację chemiczną lub aktywowaną światłem. Chociaż skurcz polimeryzacyjny może stanowić obciążenie dla odbudowy i powierzchni łączącej zęby, prowadząc do mikroprzecieków i nawracającej próchnicy, w większości przypadków można go skutecznie kontrolować poprzez prawidłowy dobór przypadków i technikę aplikacji.