Biomateriały odgrywają kluczową rolę w rekonstrukcji i naprawie tkanek ludzkiego ciała, a ich rozwój znacząco wpłynął na medycynę i stomatologię. Coraz większe znaczenie zyskują inteligentne biomateriały, które potrafią reagować na bodźce biologiczne i wspierać procesy regeneracyjne. W artykule omówiono najnowsze osiągnięcia w dziedzinie polimerów naturalnych i ich zastosowań w medycynie stomatologicznej.
Wykorzystanie przez ludzkość materiałów do rozbudowy lub naprawy ciała sięga starożytności, kiedy to naturalne materiały, takie jak drewno, były wykorzystywane do zastępowania tkanek i części ciała utraconych w wyniku chorób lub urazów. Historycznie wybór takiego materiału opierał się na jego dostępności oraz pomysłowości osoby wykonującej i stosującej protezę. Na początku XX wieku materiały pochodzenia naturalnego zaczęto zastępować polimerami syntetycznymi, ceramiką i stopami metali, które odznaczały się lepszą wydajnością, zwiększoną funkcjonalnością i większą powtarzalnością niż ich naturalne odpowiedniki. Postępy te doprowadziły do wyraźnego wzrostu zakresu zastosowania i skuteczności biomateriałów, w wyniku czego miliony istnień ludzkich zostało uratowanych lub poddanych rehabilitacji, dzięki takim urządzeniom jak: stenty naczyniowe, wypełnienia dentystyczne, sztuczne stawy biodrowe czy soczewki kontaktowe.
Biomateriały – inspiracja naturą
Materiały mające kontakt z ciałem człowieka muszą jednak spełniać określone wymagania. Biomateriały zdefiniowano na podstawie ich zastosowania jako rodzaje materiałów stosowanych w urządzeniach medycznych, a podstawy naukowe tej dziedziny bazowały na materiałoznawstwie i inżynierii klasycznej.
Rosnące uznanie dla funkcjonalności i złożoności systemów biologicznych sprawiło, że badacze biomateriałów ponownie zaczęli czerpać inspirację z natury przy ich projektowaniu. W przeciwieństwie jednak do większości materiałów wytwarzanych przez człowieka, materiały wykorzystywane w organizmach żywych są często wielofunkcyjne i dynamiczne, a ich produkcja odbywa się metodą „oddolną” z pojedynczych składników.
Coraz częściej natura inspiruje nie tylko samych wynalazców materiałów, ale także sposoby ich wytwarzania. Podczas gdy materiały syntetyczne są zazwyczaj projektowane w skali milimetrów lub większej, a następnie obrabiane mechanicznie w celu uzyskania ich cech w wielkości mikrometrów lub nanometrów, materiały naturalne powstają od razu w tych mniejszych wymiarach w sposób wysoce powtarzalny, przy jednoczesnym minimalnym nakładzie energii.
Poza samymi urządzeniami i materiałami medycznymi, biologiczna inspiracja może zrewolucjonizować metody produkcji i przetwarzania surowców w przemyśle chemicznym i materiałowym. Na przykład żywe rośliny mogą przetwarzać w ogromnych ilościach znacznie większą różnorodność materiałów niż te, które ludzkość produkuje komercyjnie, ale robią to bez dodatkowej emisji CO2 i odpadów typowych dla naszego przemysłu chemicznego. Wykorzystanie wiedzy z natury może nie tylko umożliwić syntezę nowych substancji chemicznych, ale także znacząco obniżyć koszty i wpływ na środowisko związane z produkcją obecnych substancji chemicznych i leków.
Rozwój inteligentnych biomateriałów do zastosowań stomatologicznych
Inteligentne biomateriały są projektowane tak, aby reagować na określone bodźce, takie jak zmiany pH lub temperatury. W stomatologii inteligentne biomateriały mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań, w tym: kontrolowanego uwalniania leku, materiałów samonaprawiających się lub reaktywnych wypełnień stomatologicznych (zmieniających pH lub posiadających właściwości bakteriobójcze).
Jednak właściwy rozwój inteligentnych biomateriałów wymaga głębokiego zrozumienia mechanizmów leżących u ich podstaw oraz wykorzystania zaawansowanych technologii.
Materiały wykorzystywane do przywrócenia właściwego działania organizmu człowieka możemy podzielić na bioobojętne, bioaktywne, bioreaktywne lub autonomiczne.
Te pierwsze biomateriały powodują minimalną interakcję z otaczającymi tkankami. Do tej grupy należy największa liczba materiałów, stosowanych dziś w stomatologii (są to materiały do wykonywania protez ruchomych, stałych czy większość materiałów wypełnieniowych). Bioaktywne materiały uwalniają zaś substancję aktywną po implantacji, tak aby wywołać specyficzną odpowiedź biologiczną na styku materiał–tkanka (cementy szkło-jonomerowe). Materiały bioreaktywne reagują na bodźce wewnętrzne lub zewnętrzne, uwalniając określone środki terapeutyczne. Wreszcie autonomiczne (lub samowystarczalne) materiały reagują holistycznie na złożoność mikrośrodowiska (adaptując się do zmieniających się warunków).
Nowa generacja polimerów stosowanych w materiałach wyróżniała się przede wszystkim opracowaniem resorbowalnych, biodegradowalnych polimerów, które charakteryzowały się kontrolowaną degradacją łańcucha polimerowego. Obecnie w stomatologii wdrożono różne biomateriały pochodzenia naturalnego (np. chitozan i kolagen). Są to naturalnie występujące polimery o wysokiej biozgodności oraz minimalnych reakcjach immunologicznych. Niemniej jednak do wad należą – powolne tempo degradacji i gorsze właściwości mechaniczne, niż niektórych polimerów syntetycznych. Te dwa polimery naturalne są wykorzystywane do hydrożeli, mikrokapsułek, mikrosfer i włókien (rusztowania polimerowe). Konstrukcje te można dodatkowo zaprojektować tak, aby były biokompatybilne i biodegradowalne, eliminując potencjalne reakcje immunologiczne. Co więcej, ich hydrofilowość może im zapewnić korzystne właściwości biologiczne, zwłaszcza jako matryce do przechowywania i dostarczania różnych związków biologicznych w różnych zastosowaniach medycznych.
Jednak rusztowania dla tkanek wykonane z tych polimerów muszą charakteryzować się wysoką porowatością, aby umożliwić wzrost i ruch komórek, dostarczać niezbędne mikroelementy, angiogenezę i układ przestrzenny. Powinny być dopasowane do regenerowanej tkanki. Dodatkowo muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać obciążenia biomechaniczne, dopóki odbudowana tkanka nie będzie w stanie sama przenosić sił obciążających. Kolejnym kluczowym czynnikiem jest budowa przestrzenna, którą można modyfikować. W zależności od przeznaczenia rusztowania (skafoldy), mogą być wstrzykiwane lub wszczepiane.
Polimery na bazie polisacharydów
Dzięki podobieństwu do macierzy zewnątrzkomórkowej, polisacharydy charakteryzują się wysoką degradowalnością, bioaktywnością, łatwością modyfikacji chemicznej i niskimi kosztami produkcji. Pomimo licznych zalet, polimery naturalne, bazujące na polisacharydach, mają pewne wady, związane z rozgałęzieniami, dyspersją w środowisku organizmu, strukturą i masą cząsteczkową, co prowadzi do powstawania zawodnych rusztowań oraz negatywnie wpływa na procesy rozpoznawania biologicznego i reologię.
Celuloza
Celuloza to liniowy polimer zbudowany z merów D-glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Jest to najpowszechniej występujący naturalny polimer na ziemi. Ten polisacharyd naturalny może być wytwarzany zarówno przez rośliny, jak i bakterie. Celuloza pochodząca z bakterii, zwana celulozą bakteryjną (BC), jest wysoce czysta, natomiast udokumentowano, że celuloza pochodząca z roślin zawiera śladowe ilości zanieczyszczeń, takich jak lignina, pektyna i hemiceluloza. Pomimo takiej samej struktury chemicznej jak celulozy innego pochodzenia, polimer bakteryjny ma nieco inne właściwości fizyczne. Między innymi może absorbować wodę, tworząc hydrożele, które rozkładają się szybciej niż celuloza pochodzenia roślinnego.
Ze względu na swoją nietoksyczność, zdolność do degradacji, biozgodność, szeroką dostępność i niezwykłe właściwości mechaniczne, celuloza i jej odmiany są cennymi materiałami do podawania leków, gojenia ran i innych celów medycznych. Przetestowano cienką warstwę opatrunku, wykonaną z mieszanki hydroksyetylocelulozy (HEC) i nanowłókien celulozy (CNF), nasączoną proszkiem szklanym fluoroapatytu nefelinowego jako środkiem remineralizującym, zapobiegającym zmianom próchnicowym poprzez remineralizację. Podczas badań okazało się, że taki materiał wydziela znaczne ilości jonów wapnia i fluoru przy pH neutralnym. W porównaniu z próbkami demineralizowanymi, wyniki dotyczące mikrotwardości szkliwa (VHN) i ultramorfologii wykazały znaczny wzrost średniej wartości VHN po aplikacji przez 15 i 30 dni. Celulozę proponuje się też jako materiał zastępujący chrząstkę uszną.
Chitosan
Chitosan jest drugim najpopularniejszym naturalnym polisacharydem na świecie, zaraz po celulozie. Przeprowadzono wiele badań nad biologicznymi zastosowaniami chityny i chitosanu. Chitosan jest zasadniczo deacetylowanym pochodną chityny. Jest to jedyny naturalnie występujący polisacharyd o charakterze kationowym. Polimer ten składa się z D-glukozaminy i N-acetylo-D-glukozaminy. Jego masa molowa waha się od 10 do 1000 kDa, co wpływa na jego właściwości. Ze względu na swoje unikatowe cechy bioaktywności, dobrą biozgodność i brak immunogenności, chitosan zyskuje coraz większą popularność w dziedzinie biomedycyny. Metabolity pochodzące z chitosanu są wykorzystywane w wielu zastosowaniach. Biozgodność chitosanu sprawia, że nadaje się on do inżynierii tkankowej, zarówno do opatrunków na rany, wspomagając regenerację skóry, gojenie oparzeń, owrzodzeń i ran pooperacyjnych, jak i w stomatologii, wspomagając regenerację tkanek przyzębia (dziąseł) uszkodzonych przez chorobę lub zabieg chirurgiczny. Ten biomateriał charakteryzuje się niską sztywnością i wytrzymałością, jednak wilgoć wzmacnia te właściwości. Godną uwagi cechą chitosanu jest jego zdolność przenikania przez barierę krew– mózg. Ze względu na mukoadhezję i przepuszczalność jest on badany pod kątem dostarczania leków do mózgu.
W literaturze można znaleźć opisy nanocząsteczek na bazie chitosanu przeciwdrobnoustrojowego i fitynianu sodu, które spowalniają demineralizację szkliwa, wykazując aktywność przeciwko Streptococcus mutans.
Cyklodekstryny
Cyklodekstryny, to grupa cyklicznych oligosacharydów zbudowanych z podjednostek D-glukozy połączonych wiązaniami α-1,4- -glikozydowymi. Trzy z najbardziej znanych związków to: α-cyklodekstryna (α-CD), β-cyklodekstryna (β-CD) i γ-cyklodekstryna (γ-CD). Składają się one odpowiednio z sześciu, siedmiu i ośmiu jednostek glukozy. W literaturze opisano także cyklodekstryny o większej liczbie podjednostek D-glukozy, charakteryzujące się większą elastycznością (struktury chemiczne: α-cyklodekstryny (n = 6), β-cyklodekstryny (n = 7) i γ-cyklodekstryny (n = 8)). Scheible w 1874 roku wprowadził termin „dekstran”. Jest to zewnątrzkomórkowy węglowodan bakteryjny otrzymywany z bakteryjnego kwasu mlekowego, pochodzącego z sacharozy. Ze względu na swoją nietoksyczność, stopień uwodnienia, biozgodność i degradowalność, polimery dekstranu są często stosowane w sektorze spożywczym, produktach do higieny osobistej, oczyszczalniach ścieków i w celach biomedycznych.
Ponadto z cyklodekstrynami można łączyć inne polimery lub substancje czynne, co umożliwia kontrolę szybkości uwalniania leków.
W stomatologii ten typ naturalnego polimeru jest wykorzystywany np. w sprayu do ust na bazie resweratrolu z 2-hydroksypropylo-β-cyklodekstryną. Preparat ten testowano u dzieci w wieku od 2 do 5 lat z zapaleniem dziąseł wywołanym płytką nazębną. Spray stosowano raz dziennie po szczotkowaniu zębów przez 14 dni. Wyniki wskazały na zmniejszenie gromadzenia się płytki nazębnej i stanu zapalnego dziąseł. Opisywany spray stanowi alternatywę dla płynów do higieny jamy ustnej zawierających chlorheksydynę, ponieważ substancja ta nie jest zalecana dla dzieci poniżej 6. roku życia ze względu na ryzyko połknięcia płynu i występowania przebarwień na zębach.
Kwas hialuronowy
Kwas hialuronowy, to polimer (glikozaminoglikan) złożony z podjednostek kwasu D-glukuronowego i N-acetylo-D- -glukozaminy połączonych wiązaniami β-1,4- i β-1,3-glikozydowymi. Masa molowa tego związku jest bardzo zróżnicowana i zależy od jego funkcji w organizmie człowieka. Kwas hialuronowy o dużej masie cząsteczkowej może być rozszczepiany na mniejsze fragmenty przez enzym hialuronidazę.
HA w znacznym stężeniu wchodzi w skład macierzy zewnątrzkomórkowej i płynu stawowego, a jego masa cząsteczkowa w głównej mierze determinuje liczne działania biomedyczne. Polimer ten jest szeroko rozpowszechniony w naturze, występując zarówno u bakterii, jak i u eukariontów. Produkowany jest w dużych ilościach po uszkodzeniu i podczas naprawy tkanek. Moduluje angiogenezę i procesy zapalne. Działanie biologiczne kwasu hialuronowego zależy od jego masy cząsteczkowej: kwas hialuronowy o małej masie cząsteczkowej stymuluje migrację i proliferację komórek śródbłonka, podczas gdy polimery o dużej masie wykazują działanie przeciwne.
W badaniach wykazano, że kilka metabolitów kwasu hialuronowego o dużej masie cząsteczkowej wykazuje właściwości antyangiogenne i zdolność hamowania wzrostu komórek. Z kolei kwas HA o małej masie wspomaga ruchliwość komórek i waskulogenezę. Kwas hialuronowy jest klasyfikowany jako naturalnie występujący polisacharyd o ładunku ujemnym ze względu na obecność grupy karboksylowej w jego szkielecie. Ta cecha pozwala mu utrzymywać znaczne ilości wody, co powoduje jego pęcznienie do rozmiarów nawet 1000 razy większych niż w stanie suchym. Wielu badaczy wykorzystało tę właściwość do opracowania farmakologicznych nośników kwasu hialuronowego i różnych zastosowań biologicznych.
Kwas hialuronowy łagodzi również ból, suchość błon śluzowych i uczucie pieczenia. W stomatologii wykorzystywany jest w preparatach żelowych, które ułatwiają gojenie ran po zabiegach chirurgicznych w obrębie jamy ustnej.
Heparyna
Heparyna to naturalny glikozaminoglikan wytwarzany przez komórki tuczne w aparacie Golgiego i siateczce śródplazmatycznej. Pochodzi z różnych źródeł i jest wykorzystywana w przemyśle farmaceutycznym. Heparyna była stosowana jako transporter czynników wzrostu i jest antykoagulantem, ponieważ jej pentasacharyd specyficznie wiąże się z antytrombiną. Te właściwości podkreślają powszechne zastosowanie nośników na bazie heparyny, takich jak micele i nanożele, jako nośników leków.
Alginian
E. C. C. Stanford odkrył kwas alginowy w 1881 roku, szczegółowo opisując izolację alginianu za pomocą węglanu sodu i jego osadzanie w kwaśnym roztworze. Gatunki brunatnic, takie jak Laminaria i Nereocystis, a także szczepy bakteryjne, takie jak Azotobacter i Pseudomonas, są istotnymi źródłami alginianów. Jest to liniowy polimer pochodzenia naturalnego. Składa się z monomerów kwasu L-guluronowego (bloki G) i D-mannuronowego (bloki M) połączonych wiązaniami 1,4-glikozydowymi. Ze względu na swoje unikatowe właściwości, biomateriały na bazie alginianu są wykorzystywane w wielu zastosowaniach biomedycznych. W stomatologii alginiany stosuje się w masach wyciskowych, jednak charakteryzują się niskimi właściwościami mechanicznymi. W innych dziedzinach medycyny, alginiany są szeroko stosowane w opatrunkach na rany, systemach dostarczania leków oraz w inżynierii tkankowej.
Karagen
Karagen, to anionowy, siarczanowany poligalakton odkryty w ścianach komórkowych krasnorostów, porównywalny z glikozaminoglikanami pochodzącymi z ECM. Wspomaga wzrost i przyleganie osteoblastów. W połączeniu z hydroksyapatytem zwiększa aktywność osteoblastów. Karagen był mieszany z innymi substancjami chemicznymi w badaniach inżynierii tkankowej, dotyczących regeneracji kości w celu wytworzenia biorusztowań.
Siarczan chondroityny
Siarczan chondroityny (CoS) jest niezbędnym składnikiem chrząstki, związanym z odpornością na ściskanie. CoS pochodzi z chondrocytów i ma kluczowy wpływ na utrzymanie fizjologicznych funkcji chrząstki — absorbuje wodę i działa na chrząstkę jak poduszka. Polianionowa natura tego związku umożliwia oddziaływania elektrostatyczne z dodatnio naładowanymi cząsteczkami, co może być wykorzystane do dostarczania leków i składników odżywczych stymulujących wzrost. CoS wykazuje działanie przeciwzapalne, przeciwapoptotyczne, przeciwutleniające i przeciwnowotworowe.
Agar
Agar, to kolejny polisacharydowy biopolimer, powszechnie znany ze swojej silnej bioaktywności i biozgodności. Jest substancją pochodzenia roślinnego, której głównym składnikiem jest galaktoza, cukier trudno przyswajalny przez człowieka. Agar-agar w zimnej wodzie pęcznieje, natomiast dobrze rozpuszcza się w wodzie o temperaturze około 90–100°C, a zestala się, tworząc żel w temperaturze 40–50°C. Zestalony żel roztapia się po ponownym podgrzaniu do 90–100°C.
Może generować żel o właściwościach zbliżonych do fizycznych właściwości macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) oraz tkanek, niezbędnych do transportu czynników wzrostu do ran. Wcześniejsze badania wykazały jego nietoksyczność oraz skuteczną proliferację komórek, dzięki czemu może być stosowany w gojeniu i regeneracji skóry.
W protetyce stomatologicznej agar stosowany był do pobierania wycisków, a obecnie jest nadal bardzo popularny do powielania modeli gipsowych.
Skrobia
Jest polisacharydem roślinnym, składającym się wyłącznie z merów glukozy połączonych wiązaniami α-glikozydowymi. Ze względu na biodegradowalność, brak cytotoksyczności oraz łatwość przetwarzania, skrobia jest doskonałym przykładem polisacharydu magazynującego. Polimery wytwarzane ze skrobi wykazały obiecujące zastosowania biologiczne. Hydrożele skrobiowe, wzbogacone nanocząsteczkami zeolitu i preparatami rumianku, skutecznie leczyły przewlekłe owrzodzenia, nie wywołując reakcji nadwrażliwości na zastosowany preparat.
Białka naturalne
Kolagen
Stanowi około 30 proc. całkowitej zawartości białka w organizmie człowieka. Opisano dwadzieścia dziewięć podtypów kolagenu, różniących się składem i strukturą. Kolagen składa się z potrójnej helisy alfa (łańcuchy aminokwasów budujące helisę mogą być różne lub identyczne), z 19 aminokwasów (przy czym prolina i glicyna występują w największej ilości) i co istotne nie zawiera cysteiny, zamiast niej zawiera natomiast hydroksyprolinę, charakterystyczną dla tego białka. Kolagen jest jednym z najpowszechniej wykorzystywanych biopolimerów białkowych. Wykazuje znaczną skuteczność w połączeniu z innymi związkami, które można modyfikować w celu uzyskania lepszych właściwości biologicznych i mechanicznych. Wyekstrahowano ponad 28 izomerów kolagenu, z których każdy charakteryzuje się inną długością helisy oraz rodzajem i wymiarami części niehelikalnych. Kolagen typu I jest najpowszechniejszym rodzajem, stanowiącym ECM, wielu tkanek jamy ustnej, takich jak więzadło ozębnej czy zębina. Jako element strukturalny ECM charakteryzuje się niską immunogennością, znaczną integralnością mechaniczną oraz wspomaga wzrost, różnicowanie i przyleganie komórek. Jest atrakcyjnym surowcem naturalnym ze względu na łatwość modyfikacji. Sieciowane szkielety kolagenowe z kwasem taninowym, wytwarzane metodą odlewania, zostały wykorzystane do poprawy gojenia ran.
Fibronektyna
Fibronektyna, to glikoproteina o dużej masie cząsteczkowej, ekstrahowana z osocza. Jej głównym celem jako rusztowania jest ułatwienie przylegania i ruchliwości komórek, poprzez wpływ na podział i wzrost komórek. Nanowłókna fibronektyny wykazały przyspieszone gojenie ran.
Żelatyna
Żelatyna, jest biomateriałem powstającym w wyniku częściowej (kwasowej lub zasadowej) hydrolizy kolagenu. W wyniku denaturacji powstaje liniowy polimer. Żelatyna składa się z mieszaniny cząsteczek o różnej masie. Łańcuchy α, β i γ mają masy cząsteczkowe odpowiednio 80–125 kDa, 160–250 kDa i 240–375 kDa. W jej składzie znajdują się aminokwasy prolina, glicyna i hydroksyprolina. Ze względu na pochodzenie rozróżniamy żelatynę pochodzącą od ssaków (najczęściej z rodziny wołowych), zwierząt morskich i drobiu. Ze względu na swoje pochodzenie żelatyna ma właściwości podobne do kolagenu.
Żelatyna to białko organiczne wytwarzane z kolagenu, powszechnie stosowane w biomedycynie ze względu na słabą immunogenność, bioaktywność oraz dobrą biozgodność. Ze względu na właściwości żelujące i prostotę przetwarzania może być formułowana w różnorodne preparaty, takie jak wstrzykiwane hydrożele, gąbki czy mikrosfery. Żelatynę łączono także z aktywowanym miedzią faujasytem, aby uzyskać kompozyty o silnym działaniu przeciwdrobnoustrojowym, wykorzystując proces liofilizacji. Istnieje też prosta metoda tworzenia rusztowań na bazie żelatyny z pustymi włóknami alginianu, tworząc sieć.
W stomatologii i chirurgii stosuje się preparaty hemostatyczne na bazie żelatyny. Systemy żelatynowe są dostępne komercyjnie. Służą one do hamowania krwawienia pooperacyjnego. Są bioabsorbowalne i dobrze tolerowane przez organizm ludzki. Ponadto żelatyna jest proponowana jako materiał opatrunkowy i system dostarczania leków. Ponieważ żelatyna nie posiada naturalnych właściwości antybakteryjnych, stosuje się dodatki bakteriostatyczne, aby zapobiec rozwojowi drobnoustrojów. Wykazano, że opatrunki na bazie żelatyny przyspieszają gojenie się ran. Zbadano technologię druku trójwymiarowego w celu dostosowania opatrunków do kształtu rany.
Elastyna
Elastyna, to hydrofobowe i nierozpuszczalne białko macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM). Konstrukcje kolagenowo-elastynowe stosowano w leczeniu nieprawidłowości skóry pełnej grubości, takich jak oparzenia, jako substytut skóry właściwej.
Keratyna
Keratyna, to białko występujące w skórze, paznokciach i włosach; jest biozgodna i zdolna do budowania struktur koordynujących aktywność komórkową. Poprzez liofilizację keratynę stosowano również z chitosanem do tworzenia porowatych rusztowań keratyno-chitosanowych. Stworzenie takiego biopolimeru zwiększyło jego aktywność przeciwdrobnoustrojową oraz szybkość proliferacji komórek w opatrunkach stosowanych na rany.
Ta ostatnia właściwość została wykorzystana do wytworzenia mukoadhezyjnego systemu dostarczania leku zawierającego wyciąg z S. baicalensis radix, który charakteryzował się przedłużonym uwalnianiem polifenoli. Ponadto hamował aktywność hialuronidazy, co może sprzyjać regeneracji tkanek przyzębia.
Fibroina jedwabiu
Jedwab, to włókno składające się głównie z białek, z niewielką ilością lipidów i polisacharydów. Jego głównymi białkami składowymi są fibroina i serycyna. Serycyna pełni funkcję powłoki, która spaja włókna fibroiny.
Fibroina jedwabiu to istotny składnik o unikatowym składzie aminokwasowym, pozyskiwany z kokonów Bombyx mori. Ponieważ białko to przypomina podścielisko kości, to jest wykorzystywane w strukturach regenerujących tkankę kostną. Dodatek fibroiny zwiększa hydrofilowość i właściwości mechaniczne tego typu rusztowań, umożliwiając przetrwanie ludzkim komórkom osteoblastopodobnym na ich powierzchni. W literaturze pojawiają się także publikacje opisujące uzyskanie nanowłókien fibroiny jedwabiu, zawierających cząsteczki hydroksyapatytu.
W stomatologii i chirurgii stomatologicznej jedwab jest używany do szycia ran. Szwy jedwabne mają jednak wadę – mogą na nich gromadzić się biofilmy, powodując zakażenia wtórne.
Wykorzystanie biomateriałów w stomatologii
W stomatologii istnieje kilka głównych obszarów, w których wykorzystanie biomateriałów pochodzących z natury jest szczególnie istotne. Należą do nich między innymi: zachowanie wyrostka zębodołowego, rekonstrukcja stawu skroniowo-żuchwowego, regeneracja tkanek przyzębia, modyfikacja powierzchni implantu, regeneracyjna endodoncja, regeneracja całego zęba, Inżynieria tkanki kostnej, wyzwania i przyszłe kierunki.
Zachowanie wyrostka zębodołowego
Celem zachowania wyrostka zębodołowego po ekstrakcji zęba jest zapobieganie lub eliminacja resorpcyjnej przebudowy kości oraz optymalizacja rozmieszczenia tkanek przed dopasowaniem ostatecznego uzupełnienia protetycznego. W zabiegach zachowania zębodołu stosuje się materiały jako membrany oraz wypełnienia mające na celu szybszą odbudowę kości w zębodole. Salamanca i wsp. stwierdzili, że ceramika hydroksyapatytowa/β-TCP, w połączeniu z jednorodnym roztworem kolagenu, charakteryzowała się nieco większą skutecznością w osteogenezie i podobnym działaniem osteokonduktywnym jak kość bydlęca (Bio-Oss) z membraną kolagenową w badaniu na psach.
Rekonstrukcja stawu skroniowo-żuchwowego
Dwa oddziałujące na siebie elementy strukturalne stawów skroniowo-żuchwowych to kość skroniowa i wyrostki kłykciowe żuchwy. Degradacja stawu skroniowo- żuchwowego może uszkodzić krążek, otaczającą tkankę włóknistą, warstwy proliferacyjne i przerostowe chrząstki włóknistej oraz kość wyrostka kłykciowego. Terapie regeneracyjne stawu stawów skroniowo-żuchwowych (TMJ) są oferowane w celu poprawy wyników klinicznych, długoterminowego kostnienia oraz zapobiegania zrostom.
Materiały naturalne są szeroko stosowane do regeneracji krążków stawów skroniowo-żuchwowych. Mają one właściwości mechaniczne porównywalne z naturalnym krążkiem międzykręgowym, takie jak adhezja i penetracja komórek, wzrost komórek oraz akumulacja proteoglikanów.
Ostatnio na międzynarodowych konferencjach naukowych zaprezentowano polimery syntetyczne do produkcji syntetycznej macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) do regeneracji chrząstki włóknistej stawów skroniowo-żuchwowych, które przewyższają materiały naturalne pod względem wytrzymałości mechanicznej i biodegradowalności.
Przykładem jest kwas poli-L-mlekowy- glikolowy (PLGA), który uzyskał akceptację do stosowania klinicznego na rynku amerykańskim. PLGA wspomaga kolonizację i proliferację mezenchymalnych komórek macierzystych, oddziałując jednocześnie z chondrocytami oraz innymi komórkami krążka stawu skroniowo-żuchwowego.
Regeneracja tkanek przyzębia
Regeneracja przyzębia ma na celu wyleczenie kości zębodołu, więzadeł ozębnej i cementu zębowego, które zostały uszkodzone przez zapalenie przyzębia. Skaling i root planning to obecnie stosowane techniki terapeutyczne o minimalnej skuteczności. Regeneracja przyzębia z wykorzystaniem GTR (Guided Tissue Regeneration – Sterowana Regeneracja Tkanek) pozwala na dobór komórek kostnych, fibroblastów i komórek więzadła przyzębia do wypełnienia ubytku przyzębia. Melcher jako pierwszy wykorzystał membranę barierową do kontrolowania naturalnego procesu gojenia ran w 1976 roku. Substancje bioaktywne i nanocząsteczki zostały niedawno włączone do rusztowań polimerowych w celu stworzenia inteligentnego rusztowania reagującego na sygnały wewnętrzne (redukcja głębokości kieszonek po zastosowaniu membrany kolagenowej).
Od początku XXI wieku do regeneracji przyzębia w przypadku nieprawidłowości śródkostnych zaczęto stosować różne matryce polimerowe jako rusztowania drukowane w technologii 3D. Ostatnie postępy w technologii wytwarzania addytywnego umożliwiają tworzenie rusztowań w skali nano o regulowanych parametrach, takich jak średnica włókien, porowatość, kształt i właściwości powierzchni.
Modyfikacja powierzchni implantu
Implanty stomatologiczne są często stosowane w celu uzupełnienia brakujących zębów, przywrócenia funkcji i zwiększenia satysfakcji pacjentów. Długoterminowa przeżywalność implantów stomatologicznych może być zaburzona z powodu biologicznego zapalenia tkanek okołowszczepowych (20 proc.) wywołanego przez infekcje bakteryjne i problemy mechaniczne, wywoływane przez osteopenię i bruksizm.
Prace badawcze z tego zakresu, z ostatnich lat, dotyczą skuteczności hydrożeli na bazie biopolimerów jako materiałów powłokowych, poprawiających właściwości implantów stomatologicznych. Oprócz zmian powierzchni, w ciągu ostatnich kilku lat, badano powlekanie implantów stomatologicznych różnymi materiałami i biocząsteczkami, w celu uzyskania określonych korzyści. Zastosowano metodę sol-żel in situ do stworzenia kompozytów polikaprolaktonowych (PCL) i PCL/fluoro-podstawionych HA (PCL-FHA) jako materiału powłokowego dla implantów bazujących na stopie Ti6Al4V, w celu zwiększenia ochrony przed korozją i biokompatybilności in vitro.
Zsyntetyzowano hydrożel wygenerowany z kwasu hialuronowego i żelatyny do modyfikacji powierzchni polidimetylosiloksanu (PDMS), często stosowanego jako materiał powłokowy w niektórych typach implantów.
Regeneracyjna endodoncja
W regeneracyjnej endodoncji stosuje się rusztowania polimerowe w celu stworzenia odpowiedniego mikrośrodowiska do regeneracji układu zębina-miazga. Różne rusztowania wykazały skuteczność kliniczną w wielu zastosowaniach, jak np. zamknięcie wierzchołka, dalszy rozrost korzenia i pogrubienie ścian zębiny w stałych zębach młodocianych z martwiczą miazgą. Stwierdzono, że membrany kolagenowe Bio-Gide (Geistlich, Wolhusen, Szwajcaria) wspomagają formowanie ścian zębiny w środkowej części korzenia, wzmacniając go i zapobiegając złamaniom.
Regeneracja całego zęba
Choroby zębów, takie jak próchnica czy zapalenie przyzębia, ostatecznie prowadzą do utraty zębów. Leczenie bezzębia metodami bioinżynierii stanowi realną alternatywę dla postępu inżynierii tkankowej.
Yang i wsp. wykazali niezawodność połączenia kleju fibrynowego z fibryną bogatopłytkową (PRF) jako matrycy hodowanej z komórkami zawiązków zębowych w celu regeneracji zębów. PRF zawiera duże ilości czynnika wzrostu tkanki β (TGF-β) i czynnika wzrostu pochodzenia płytkowego (PDGF), co znacząco wpływa na angiogenezę i złożoną regenerację tkanek. Ponadto zaobserwowano, że komórki zawiązków zębowych umieszczone na strukturach PRF/ PRP (osocze bogatopłytkowe) regenerują całą strukturę zęba w warunkach in vitro.
Inżynieria tkanki kostnej
Pomimo endogennej zdolności kości do regeneracji, rusztowania polimerowe odgrywają kluczową rolę w przyspieszeniu procesu gojenia, skróceniu okresu gojenia, a tym samym ograniczeniu powikłań pooperacyjnych i maksymalizacji skuteczności leczenia. Kluczowe znaczenie dla osiągnięcia celów medycyny regeneracyjnej ma generowanie specyficznych uwalniań bio-cząsteczek do określonych receptorów.
Badacze z USA wytworzyli kompozyt kwasu polimlekowego/nanohydroksyapatytu, który potencjalnie pełnił funkcję środowiska zewnątrzkomórkowego w tworzeniu tkanek osteoblastów. Membranę PLA zmodyfikowano poprzez wprowadzenie nanocząsteczek HAp, aby zapewnić podwójną rolę bariery/indukcji osteogenezy w deformacji żuchwy u szczura.
Wyzwania i przyszłe kierunki
Pomimo postępu w biomateriałach stomatologicznych nadal istnieje kilka wyzwań, które należy rozwiązać. Niektóre z nich obejmują między innymi:
- zapewnienie bezpieczeństwa i skuteczności
- usprawnienie ścieżek regulacyjnych – opracowanie jasnych i skutecznych ram regulacyjnych ma kluczowe znaczenie dla wdrożenia powstających biomateriałów do praktyki klinicznej
- harmonizacja przepisów międzynarodowych
- uzyskanie zwrotu kosztów poniesionych na badania i rozwój oraz dostępności na rynku.
Pomimo tych wyzwań, istnieją możliwości innowacji i wzrostu w dziedzinie biomateriałów stomatologicznych.
Przyszłe kierunki badań w zakresie biomateriałów stomatologicznych
Biomateriały wytwarzane obecnie są bogate w informacje i zawierają biologicznie aktywne składniki pochodzące z natury. W przyszłości biomateriały odegrają jeszcze większą rolę w medycynie i znajdą zastosowanie w szerokiej gamie zastosowań pozamedycznych, dzięki projektowaniu inspirowanemu biologią i włączaniu dynamicznego zachowania. Jednym z celów badań nad nową generacją materiałów bio-inspirowanych będzie prawdopodobnie opracowanie „inteligentnych”, wielofunkcyjnych nanocząsteczek lub implantów do zastosowania w naszych organizmach. Te złożone materiały integrowałyby liczne bodźce chemiczne i fizyczne, aby określić swoje zachowanie. Takie materiały mogłyby oddziaływać na pożądane obszary anatomiczne, monitorować stan zdrowia oraz raportować i aktywnie interweniować wewnątrz organizmu ludzkiego.
|
LITERATURA: 1. Iftikhar, S., Jahanzeb, N., Saleem, M., ur Rehman, S., Matinlinna, J. P., & Khan, A. S. (2021). The trends of dental biomaterials research and future directions: A mapping review. The Saudi Dental Journal. https://doi.org/10.1016/j.sdentj.2021.01.002. 2. Huebsch, N., & Mooney, D. J. (2009). Inspiration and application in the evolution of biomaterials. Nature, 462 (7272), 426–432. https://doi.org/10.1038/nature08603. 3. Atia, G. A., Shalaby, H. K., Roomi, A. B., Ghobashy, M. M., & Attia, H. A. (2023). Macro, micro, and nano‑inspired bioactive polymeric biomaterials in therapeutic and regenerative orofacial applications. Drug Design, Development and Therapy, 17, 2985–3021. 4. Montoya, C., Roldan, L., Yu, M., Valliani, S., & Smart, C. T. (2023). Smart dental materials for antimicrobial applications. Bioactive Materials, 24, 1–19. 5. Paczkowska‑Walendowska, M., Kulawik, M., Kwiatek, J., Bikiaris, D., & Cielecka‑Piontek, J. (2025). Novel applications of natural biomaterials in dentistry— Properties, uses, and development perspectives. Materials, 18, 2124. 6. Ho, K. N., Salamanca, E., Chang, K.‑C., Shih, T.‑C., Chang, Y.‑C., Huang, H.‑M., Teng, N., Lin, C.‑T., Feng, S.‑W., & Chang, W.‑J. (2016). A novel HA/β‑TCP‑collagen composite enhanced new bone formation for dental extraction socket preservation in beagle dogs. Materials, 9 (3), 191. 7. Yang, K. C., Wang, C. H., Chang, H. H., Chan, W. P., Chi, C. H., & Kuo, T. F. (2012). Fibrin glue mixed with platelet‑rich fibrin as a scaffold seeded with dental bud cells for tooth regeneration. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 6 (10), 777–785. |
Autor: dr. Zbigniew Raszewski
Uzyskał stopień doktora na Śląskiej Akademii Medycznej w zakresie biologii medycznej oraz tytuł magistra inżyniera, w zakresie technologii chemicznej, na wydziale chemicznym Politechniki Warszawskiej.
Artykuł opublikowany w numerze 6/2025 magazynu Nowy Gabinet Stomatologiczny. Zobacz pełny spis treści. Dowiedz się więcej - Nowy Gabinet Stomatologiczny.
Więcej ciekawych artykułów w "Nowy Gabinet Stomatologiczny" -zamów prenumeratę lub kup prenumeratę w naszym sklepie.
