Синтетические биоматериалы в стоматологии

В последнее десятилетие наблюдается повышение интереса к разработке новых методов синтеза гидроксиапатита кальция. На его основе создаются сложные композиционные биоматериалы, которые в стоматологии применяются в качестве пломбировочных материалов, в челюстно-лицевой хирургии, офтальмологии, нейрохирургии– в качестве имплантатов и биопокрытий эндопротезов. Как свидетельствуют представленные данные, разработка и усовершенствование биоматериалов на основе фосфата кальция является одним из перспективных направлений развития биотехнологий.

Актуальность. В последние годы кальций-фосфатные материалы представляют большой исследовательскийинтерес благодаря своему химическому сходству с костной тканью и твердыми тканями зуба. Обладая отличной биосовместимостью и нетоксичностью химических компонентов, они являются привлекательными биомедицинскими материалами [1].

Фосфаты кальция относятся к группе биологически активных синтетических материалов. Наиболее часто используемыми являются гидроксиапатит и трикальций фосфат кальция. Эти типы нашли широкое применение благодаря своей остеокондуктивности, кристаллографическому строению и химическому составу наиболее близкому костной ткани. Они классифицируются в соответствии со степенью рассасываемости, то есть степенью деградации invivo. Гидроксиапатит был описан как нерассасывающийся, атрикальций фосфат - как рассасывающийся [2].

Материалы фосфата кальция положительно взаимодействуют с живой тканью, оказывая влияние на дифференцировку остеобластов в зрелые клетки. Эти материалы также химически связаны с костной тканью вдоль границы раздела тканей, которая, как полагают, вызвана адсорбцией остеобластов на поверхности биоматериалов. Следовательно, существует биохимически опосредованный связывающий остеогенез [3].

Применение фосфатов кальция включает в себя восстановление дефектов пародонта, увеличение альвеолярной кости, синус-лифтинга, восстановление больших дефектов костей, вызванных опухолями. Фосфаты кальция также используются в качестве покрытий на имплантатах из титана и титанового сплава для сочетания биоактивности кальцияфосфатов и прочности металла [4].

Целью настоящегоисследования является обзор использования материалов на основефосфата кальция в стоматологии.

Гидроксиапатит

Гидроксиапатит является наиболее изученным фосфатом кальция и может быть использован как в основной массе, так и в качестве покрытия или цемента. Этот материал можно классифицировать в соответствии с его пористостью, фазой и методом обработки. Он обладает отличной биосовместимостью и способен стимулировать остеокондукцию и остеоинтеграцию. В результате превосходных благоприятных остеокондуктивных и биоактивных свойств он является наиболее предпочтительным биоматериалом как в стоматологии, так и в ортопедии [5].

Синтетический гидроксиапатит аналогичен по составу минеральному компоненту костной ткани и зубов, как показано в таблице 1 [6]. Это сходство делает его наиболее клинически используемым в качестве биоматериала для медицинских и стоматологических целей.

Таблица 1 - Химическое и структурное сравнение зубов, костей и гидроксиапатита (HA)

Состав, мас.%

Эмаль

Дентин

Кость

Г идрооксиапатит

Кальций

36,5

35,1

34,8

39,6

Фосфор

17,1

16,9

15,2

18,5

Ca/P

1,63

1,61

1,71

1,67

Всего неорганических(%)

97

70

65

100

Общее количество органических (%)

1,5

20

25

-

Вода(%)

1,5

10

10

-

Гидроксиапатит успешно применяется в клинических исследованиях, в исследованиях на животных, в эндодонтической практике, включающее прямое и непрямое покрытие пульпы, в восстановлении перфораций, формировании апикального барьера и восстановлениипериапикальных дефектов [7]. Leeetal. выявили, что с трикальцийфосфат-гидроксиапатитом минерализация репаративного дентина происходила быстрее и более плотно по сравнению с чистым гидроксидом кальция[8]. Кроме того, гидроксиапатит использовался в качестве наполнителя для усиления стоматологических цементов, покрытия ортопедических конструкций и дентальных имплантатов, восстановлении атрофированных гребней, пародонтальных карманов,периодонтальных дефектов и увеличения альвеолярного гребня для последующей имплантации [9]. Обладая благоприятными биоактивными и остеокондуктивными свойствами, приводящими к быстрому формированию костной ткани в организме и достаточной биологической адгезии, гидроксиапатит все жеимеет низкую механическую прочностью, что является препятствием для его применения в областях, испытывающих повышенную нагрузку [10].

Трикальцийфосфат.

Трикальцийфосфат существует во многих полиморфах (α, β, γ и супера). В качестве биоматериалов используются только две фазы полиморфов (α и β). Эти фазы были хорошо изучены. Однако, несмотря на обширные исследования с начала 1970-х годов, по-прежнему недостаточно сведений относительно этого материала. Предпочтительным является использование рассасывающегося трикальцийфосфатного материала, поскольку он в долгосрочной перспективе заменяются костной тканью [11]. Трикальцийфосфатные материалы в основном ведут себя как остеокондуктивные материалы, которые позволяют костной ткани расти на их поверхности, в порах и каналах. Фосфат кальция является биосовместимым материалом и индуцирует образованиекостной ткани. Он использовался в качестве средства для закрытиярасщелин неба [12], апикального барьера [13], апексификации [14], восстановлениявертикальных дефектов кости [15] и покрытия имплантатов [16]. Было также показано, что он поддерживает рост костей. Однако трудно спекается, демонстрируя слабую механическую прочность. Кроме того, скорость резорбции трикальцийфосфата протекает быстро и неконтролируемо. Непредсказуемая растворимость трикальцийфосфатного покрытия может привести к более раннему разрушению имплантата с покрытием[17].

Limetal. [18] сообщили о первом применении трикальцийфосфатной керамики в периодонтальных дефектах у собак. Akhlaghietal. [19] описывали случаи использования рассасывающейся форму трикальцийфосфатной керамики для стимулирования закрытия апикального отверстия. В корневом канале происходило образование минерализованной ткани, но было неполным. Jefferies так же [20] использовали трикальциевую фосфатную керамику для индуцирования закрытия широких апикальных отверстий в депульпированных зубах, но обнаружили, что она не эффективнее гидроксида кальция. Bachoo etal. [21] исследовали формирование апикального барьера на 101 зубах. Они обнаружили, что нет никакой разницы в излечении между случаями, обработанными трикальцийфосфатом или гидроксидом кальция. Balasubramanianetal. [22] изучали комбинацию трикальцийфосфата, гидроксиапатита и фторида натрия в качестве костного имплантата. Они определили, что материал не токсичен, не мутагенен и не рассасывается, а также предлагали использовать эти материалы для заполнения корневых каналов.

Цементные системы для фосфата кальция.

Кальций фосфатный цемент представляет собой биоактивный цемент, который при увлажнении превращается гидроксиапатит [23].

Кальций-фосфатный цемент был обнаружен Брауном и Чоу в 1980-х годах. Этот тип цемента может быть получен путем смешивания соли фосфата кальция с водой или с водным раствором с образованием пасты, которая реагирует при комнатной температуре или температуре тела, приводя к образованию осадка, содержащего один или несколько фосфатов кальция.

Материалы фосфата кальция были оценены как одни из потенциальных материалов для инженерии костной ткани. Преимуществом кальций-фосфатных цементов является то, что они могут быть непосредственно введены в костный дефект, будучи приготовленными непосредственно перед применением. Фосфат кальция также является биосовместимыми рассасывающимся; может быть синтезированс макропористой структурой, имеющей микропоры, которая очень важна для инфильтрации и роста клеток.

Данные низкотемпературные апатиты привлекают большой исследовательский интерес благодаря их способности образовывать гидроксиапатит при температуре тела организма[24]. Данный факт является большим преимуществом, так как акриловые материалы, используемые в настоящее время для ортопедическойстоматологии, требуют высокие температурыиобразуют токсичныевещества. Другим преимуществом кальций-фосфатного цемента является то, что во время реакции затвердевания выделяется лишь небольшое количество тепла по сравнению с полиметилметакрилатными цементами. Объем кальциево- фосфатного цемента остается неизменным во время затвердевания. При смешивании с водой или водным раствором кальций-фосфатный цемент выпадает в осадок, образуя менее растворимый фосфат кальция. Во время осаждения кристаллы фосфата кальция увеличиваются в размерах и блокируются, что обеспечивает структурную жесткость цемента [24].

Таким образом,паста из кальций-фосфатного цемента может быть получена при смешивании с водойво время оперативных вмешательств и введена или сформирована на дефектном участке костной ткани.Самостоятельно затвердевая,кальций-фосфатного цемент превращается в гидроксиапатит, обеспечивая отличный контакт между костной тканью и трансплантатом [25].

Возможность кальций-фосфатного цемента формоватьсяи затвердевать на месте введения, а также его биосовместимость делают его желательной альтернативой для существующих ортопедических имплантатов, большинство из которых выпускаются в готовой твердой форме.

Более того, поскольку цементы из фосфата кальция изготавливаются при комнатной температуре или при температуре тела, они также могут использоваться в качестве средства доставки антибиотиков, противоопухолевых, противовоспалительных препаратов и факторов роста [26].

Однако имеющиеся в настоящее время системы фосфата кальция далеки от идеальных свойств из-за расхождений во времени схватывания, механических свойств и ответной реакции живых тканей на воздействие цементов [27].

В стоматологии они используются для уплотнения фуркаций, десенсибилизации поверхности корня и уплотнения апекса или заполнения корневого канала. По способности самоотвердевания, превосходной прочности на сжатие и биосовместимости фосфат кальция превосходит чистый гидроксид кальция [28].

Выводы.

Биоматериалы фосфата кальция обладают отличными биоактивными и остеокондуктивными свойствами, способствующими быстрому формированию кости в организме и сильной биологической фиксации костной ткани. Однако они также характеризуются низкой механической прочностью. Данный факт является препятствием для их применения в областях, несущих повышенную нагрузку. Повышение механических свойств материалов фосфата кальция расширит сферу их применения. Также необходимы дальнейшие исследования, направленные на изучение положительных и отрицательных свойств биоматериалов.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Heimann R. B. Classic and advanced ceramics: from fundamentals to applications. – John Wiley & Sons, 2010.
  2. Lemons J. E., Misch-Dietsh F., McCracken M. S. Biomaterials for dental implants //Dental Implant Prosthetics. – Elsevier Inc. - 2014. - №2. – Р. 18-26.
  3. Blum J. B., Heimann R. B. Ceramics, Electronic // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. – 2011. – Р. 88-96.
  4. Waterman J. In vitro assessment of the corrosion protection of biomimetic calcium phosphate coatings on magnesium. – 2012. – 129 р.
  5. Yang J. Z. et al. Novel Layered Hydroxyapatite/Tri-Calcium Phosphate–Zirconia Scaffold Composite with High Bending Strength for Load-Bearing Bone Implant Application // International Journal of Applied Ceramic Technology. – 2014. – Т. 11., №1. – С. 22-30.
  6. Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphate-based bioceramics // Materials. – 2013. – Т.6., №9. – С. 3840-3942.
  7. Dutta S. R. et al. Ceramic and non-ceramic hydroxyapatite as a bone graft material: a brief review // Irish Journal of Medical Science. - 1971. – 2015. – Т. 184., №1. – С. 101-106.
  8. Lee S. K. et al. Effect of calcium phosphate cements on growth and odontoblastic differentiation in human dental pulp cells // Journal of endodontics. – 2010. – Т. 36., №9. – С. 1537-1542.
  9. Pripatnanont P. et al. Bone Regeneration Potential of Biphasic Nanocalcium Phosphate with High Hydroxyapatite/Tricalcium Phosphate Ratios in Rabbit Calvarial Defects // International Journal of Oral & Maxillofacial Implants. – 2016. – Т.31., №2. – Р. 96-101.
  10. Mezahi F. Z. et al. Effect of ZrO2, TiO2, and Al2O3 additions on process and kinetics of bonelike apatite formation on sintered natural hydroxyapatite surfaces // International Journal of Applied Ceramic Technology. – 2012. – Т. 9., №3. – С. 529-540.
  11. LeGeros R. Z., LeGeros J., Mijares D. Calcium phosphate-based materials containing zinc, magnesium, fluoride and carbonate. – 2015. – 284 р.
  12. Araújo M. G., Liljenberg B., Lindhe J. β-tricalcium phosphate in the early phase of socket healing: an experimental study in the dog // Clinical oral implants research. – 2010. – Т. 21., №4. – С. 445-454.
  13. Al-Sanabani J. S., Madfa A. A., Al-Sanabani F. A. Application of calcium phosphate materials in dentistry // International journal of biomaterials. – 2013. – Т. 2013. – Р. 96-103.
  14. Surmenev R. A., Surmeneva M. A., Ivanova A. A. Significance of calcium phosphate coatings for the enhancement of new bone osteogenesis–A review //Actabiomaterialia. – 2014. – Т.10., №2. – С. 557-579.
  15. Shin S. Y., Rios H. F., Giannobile, W. V., Oh, T. J. Periodontal regeneration: Current Therapies // Stem Cell Biology and Tissue Engineering in Dental Sciences. – 2015. – С. 459-469.
  16. Goodman S. B., Yao Z., Keeney M., Yang, F. The future of biologic coatings for orthopaedic implants // Biomaterials. – 2013. – Т.34., №13. – С. 3174-3183.
  17. Tarafder S. Physicomechanical, In Vitro and In Vivo Performance of 3D Printed Doped Tricalcium Phosphate Scaffolds for Bone Tissue Engineering and Drug Delivery // Washington State University. - 2013. – Р. 51-57.
  18. Lim H. P. et al. The effect of rhBMP-2 and PRP delivery by biodegradable β-tricalcium phosphate scaffolds on new bone formation in a non-through rabbit cranial defect model // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. – 2013. – Т. 24., №8. – С. 1895-1903.
  19. Akhlaghi N., Khademi A. Outcomes of vital pulp therapy in permanent teeth with different medicaments based on review of the literature // Dental research journal. – 2015. – Т. 12., №5. – С. 406-411.
  20. Jefferies S. R. Bioactive and biomimetic restorative materials: a comprehensive review. Part I // Journal of esthetic and restorative dentistry. – 2014. – Т. 26., №1. – С. 14-26.
  21. Bachoo I. K., Seymour D., Brunton P. A biocompatible and bioactive replacement for dentine: is this a reality? The properties and uses of a novel calcium-based cement // British dental journal. – 2013. – Т. 214., №2. – С. 5-14.
  22. Balasubramanian S., Gurumurthy B., Balasubramanian A. Biomedical applications of ceramic nanomaterials: a review // International journal of pharmaceutical sciences and research. – 2017. – Т. 8., №12. – С. 4950-4959.
  23. Morejón-Alonso L. et al. Bioactive composite bone cement based on α-tricalcium phosphate/tricalcium silicate // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. – 2012. – Т. 100., №1. – С. 94-102.
  24. Vásquez Niño A. F., Santos L. A. L. Preparation of an injectable macroporous α-TCP cement // Materials Research. – 2016. – Т. 19., №4. – С. 908-913.
  25. Ambrosio L. et al. Injectable calcium-phosphate-based composites for skeletal bone treatments // Biomedical materials. – 2012. – Т. 7., №2. – С. 113-117.
  26. Samavedi S., Whittington A. R., Goldstein A. S. Calcium phosphate ceramics in bone tissue engineering: a review of properties and their influence on cell behavior // Actabiomaterialia. – 2013. – Т. 9., №9. – С. 8037-8045.
  27. Alghamdi H. S. et al. Osteogenicity of titanium implants coated with calcium phosphate or collagen type-I in osteoporotic rats // Biomaterials. – 2013. – Т. 34., №15. – С. 3747-3757.
  28. Saxena P., Gupta S. K., Newaskar V. Biocompatibility of root-end filling materials: recent update // Restorative dentistry & endodontics. – 2013. – Т. 38., №3. – С. 119-127.
Год: 2018
Город: Алматы
Категория: Медицина
loading...