W codziennej praktyce coraz częściej można napotykać produkty opisywane z wykorzystaniem przedrostka bio-. Istnieje jednak poważna różnica pomiędzy materiałami biozgodnymi a bioaktywnymi.
Czym zatem jest bioaktywność? Definicja ewoluuje wraz z rozwojem tych materiałów, a w uproszczeniu opisuje tworzywa, które zdolne są do wywoływania odpowiedzi prowadzącej do trwałego łączenia z tkankami. Szkła bioaktywne wchodzą w skład szerszej grupy materiałów określanych jako bioceramika. Tworzywa te klasyfikowane są w trzy grupy, co związane jest ze specyficznym dla każdej z nich rozwojem reakcji tkankowej. Pierwsza to ceramika inertna (korund, tlenek cyrkonu). Druga grupa to bioaktywne szkła, bioaktywna ceramika i hydroksyapatyt, czyli: BAG BAG-C HPa (ang. bioactive glass, bioactive glass-ceramic, hydroxapatite). Jako ostatnią wyróżnia się ceramikę bioresorbowalną. Z punktu widzenia stomatologii zachowawczej znaczenie mieć będą materiały z drugiej grupy.
Odkrycia szkieł bioaktywnych dokonał prof. Larry Hench. Pierwotnie zajmujący się zastosowaniami szkieł w elektronice, został zainspirowany do podjęcia badań w kierunku stworzenia materiałów dla celów medycznych. A miało to miejsce w latach 60. XX wieku. W 1969 r. stworzone zostało szkło, które zdolne było do tworzenia trwałego łączenia z tkanką kostną. Do stworzenia materiału wykorzystano tlenki: SiO2, CaO, Na2O i P2O5, które łączono w precyzyjnie określonych proporcjach w procesie spiekania wysokotemperaturowego. Tworzenie kolejnych modyfikacji zarówno w zakresie składu, jak i technologii wytwarzania sprawia, że obecnie dysponujemy bardzo licznymi rodzajami tych tworzyw. Przykładem może być stworzone w 1971 r. szkło o nazwie Bioglass®45S5, które stosowane jest do dnia dzisiejszego, a symbole 45S5 stanowią skrócony opis składu, odnosząc się do procentowej zawartości tlenku krzemu i proporcji molowej składu wapnia i fosforu. Larry Hench stworzył również klasyfikację aktywności materiałów ceramicznych, a że odnosiła się ona do wszczepów, to stanowiła skalę określającą czas, który niezbędny jest do uzyskania integracji połowy powierzchni wszczepu.
Należy podkreślić, że materiały o wysokiej aktywności (klasa A wg wspomnianej klasyfikacji) mogą indukować połączenia zarówno z tkanką kostną, jak i tkankami miękkimi.
Zdobyte doświadczenia i wiedza pozwalają na skuteczne zastosowanie materiałów bioaktywnych w zakresie stomatologii zachowawczej, pedodoncji i endodoncji, rozszerzając ich zastosowanie poza obszar chirurgii, periochirurgii i implantoprotetykę.
Działanie materiałów bioaktywnych na gruncie chemicznym rozpatrywać należy jako tworzywa umożliwiające uwalnianie wysokich stężeń jonów – poziom takiej aktywności związany jest ściśle ze składem i budową strukturalną. Zmiana procesu wytwarzania szkieł bioaktywnych ze wspomnianej metody wysokotemperaturowej na technologię zol–żel umożliwiła dalsze adaptacje, w tym eliminację „topników” w postaci tlenku sodu i potasu, co nie zmniejszyło aktywności wytwarzanych tą metodą dwu-, trój- i czteroskładnikowych kompozycji, tj. składających się z tlenków krzemu i wapnia, fosforanów i tlenku magnezu.
Zmiana metody wytwarzania szkieł wpływa na budowę strukturalną, co przekłada się na porowatość. Wartości wielkości tych porów dla szkieł topionych zmniejszają się do 1,6–2,1 nm, a dla szkieł wytwarzanych metodą zol–żel wynoszą 6,5–9,5 nm. Zwiększona porowatość stwarza większą aktywną powierzchnię, co sprzyja wymianie jonowej, w dużej mierze rekompensując zmniejszoną rozpuszczalność szkieł tworzonych bez udziału wspomnianych topników (Na2O i K2O).
Cały czas jednak odnosimy się do szkieł bioaktywnych, czyli napełniaczy materiałów złożonych, stosowanych w pracach zachowawczych i endodoncji. Istotny wpływ na warunki wymiany jonowej, a co za tym idzie – aktywności, wywierać będzie osnowa.
Technologia tworzenia materiałów to jedna kwestia, ale dla praktyka konieczna jest znajomość ich działania. Zrozumienie wielu złożonych procesów niejednokrotnie staje się łatwiejsze, jeśli odwołamy się do znanych analogii.
Każdy z nas pamięta jedno z bardziej fascynujących doświadczeń szkolnych, które polegało na hodowaniu kryształków soli w słoiczku. Istotą zjawiska było wytworzenie przesyconego roztworu (rozpuszczanie soli w gorącej wodzie), a następnie obserwowano, jak rozwijają się kryształy na nitce zawieszonej w ostudzonym już roztworze. Wyobraźmy sobie, że słoiczek wykonany jest ze szkła bioaktywnego, które uwolni bardzo dużą ilość jonów. Dążąc do równowagi, część z nich wytrąci się na powierzchni tej niteczki. Różnica polega na tym, że zamiast niteczki w naturze będzie kolagen, a zamiast kryształków NaOH rozwiną się kryształy hydroksyapatytu. Oczywiście tłumaczenie takie okupione jest sporym uproszczeniem, ale znacznie ułatwia w opinii autora wyobrażenie sobie zachodzących zjawisk oraz implikacji nieprzestrzegania zasad i warunków reakcji. W praktyce zjawisko jest znacznie bardziej złożone, a reakcja nie polega wyłącznie na rozpuszczaniu, dyfuzji i krystalizacji. Subtelna równowaga jonowa determinuje metabolizm zarówno na poziomie komórkowym, jak i enzymatycznym. Opisana powyżej reakcja to mineralizacja w organizmach żywych, która modyfikowana jest przez udział licznych złożonych związków organicznych. W procesie biomineralizacji udział biorą liczne białka i enzymy, istotnie wpływając na strukturę, wielkość i uporządkowanie tworzonych kryształów. Najprostszym przykładem będzie różnica wielkości wytwarzanych kryształów hydroksyapatytu zębiny i szkliwa. Określenie zakresu aktywności niektórych enzymów i białek nadal napotyka na poważne trudności. I choć rola związków, takich jak ameloblastyna, enamelina czy metaloproteinaza macierzy 20, znalazła już odpowiednie udokumentowanie, pozwalające na zrozumienie złożonych procesów, których skutkiem jest tworzenie znanych nam struktur tkankowych, to nadal trudna jest interpretacja znaczenia np. tufteiny, którą odnajduje się w innych strukturalnie narządach i tkankach. Fenomen natury polega na tworzeniu identycznych pod względem składu, a całkowicie odmiennych pod względem budowy strukturalnej i właściwości fizycznych „konstrukcji”. Znanym nam doskonale przykładem z życia codziennego jest budowa szkliwa, gdzie uporządkowanie i wielkość kryształów hydroksyapatytu odgrywają kluczową dla właściwości fizycznych, mechanicznych, a także optycznych rolę.
Doskonale udokumentowane jest bakteriobójcze działanie szkieł bioaktywnych zarówno na szczepy bakterii tlenowych, jak i beztlenowych. Znajduje to dla tych materiałów coraz szersze zastosowania, ponieważ opisane działanie wywiera istotny wpływ na tworzenie biofilmu.
Przeciwbakteryjne działanie w połączeniu ze zdolnością „samouszczelniania” i zamykania połączeń stanowi o najwyższej przydatności takich tworzyw.
Obecnie na rynek wprowadzane są nowe materiały, które coraz częściej oprócz zawartości bioaktywnych składników nieorganicznych wykorzystują osnowę organiczną. Zastąpienie powolnej reakcji wiązania kontrolowaną światłem polimeryzacją istotnie zmienia warunki pracy klinicznej. Materiały, takie jak Activa Bioactive, przy niewielkich modyfikacjach składu zapewniają szeroki zakres wskazań klinicznych, oferując przy tym doskonałe właściwości użytkowe. Kompozytowy materiał przeznaczony do pośredniego oraz bezpośredniego pokrycia miazgi, jakim jest Theracal LC, to kolejny przykład niezwykle praktycznego rozwiązania. Dostępne wyniki badań i doświadczenia własne w pracy dostępnymi na naszym rynku tworzywami zostaną omówione w kolejnym artykule.
POLECAMY
