Szkło bioaktywne w stomatologii i w spersonalizowanym leczeniu – jak to działa?

Szkło bioaktywne to jeden z wielu materiałów wykazujących aktywność chemiczno-biologiczną po kontakcie z tkankami i płynami fizjologicznymi, np. śliną czy krwią. Materiałów bioaktywnych jest wiele, ale to właśnie szkła bioaktywne z uwagi na swoje właściwości biologiczne, mechaniczne, fizykochemiczne znalazły szczególnie szerokie zastosowanie w stomatologii terapeutycznej i w spersonalizowanym leczeniu dentystycznym.

Fenomen skuteczności działania szkła bioaktywnego wynika z procesów chemiczno-biologicznych zachodzących na granicy pomiędzy tkanką a tym biomateriałem. Tam właśnie, w tzw. obszarze kontaktu, dochodzi do powstania specyficznej odpowiedzi biologicznej – zewnątrzkomórkowej lub wewnątrzkomórkowej na chemiczną aktywność szkła zainicjowaną kontaktem z płynami fizjologicznymi. Przekłada się to na funkcjonowanie tkanki, z którą sąsiaduje szkło bioaktywne. Aktywność komórki może ulec zmianie nieraz już od poziomu DNA albo jest modulowana zmianą aktywności białek enzymatycznych, która pojawia się w odpowiedzi na zmiany pH środowiska czy obecność określonych jonów lub innych biologicznie czynnych cząstek.

Czym jest bioaktywność szkła?

Bioaktywność szkła to jego zdolność do trwałego wiązania z tkanką kostną. Zjawisko to zostało odkryte w 1969 roku przez naukowca o nazwisku Hench. Zauważył on, że szkła, które w swoim składzie zawierały tlenki krzemu, wapnia, sodu, fosforu w odpowiednich proporcjach, charakteryzują się doskonałą biozgodnością i mogą z tkankami tworzyć trwałe i mocne połączenia, a dodatkowo mogą służyć regeneracji uszkodzonych lub utraconych tkanek.

Materiały bioaktywne mogą charakteryzować się różnym stopniem bioaktywności – klasyfikuje się je do dwóch kategorii: klasy A i klasy B. Szkło bioaktywne zakwalifikowano do klasy klasy A – to tak zwane materiały osteoindukcyjne, co znaczy, że potrafią wywołać odpowiedź zarówno wewnątrzkomórkową, jak i zewnątrzkomórkową po osadzeniu w tkankach. Takie materiały bardzo korzystnie wpływają na wiązanie się implantu z tkanką, ponieważ sprzyjają osadzaniu się komórek macierzystych tkanki kostnej na powierzchni wszczepu, a także namnażaniu się tych komórek i ich różnicowaniu. Materiały bioaktywne klasy B to z kolei biomateriały ceramiczne, tzw. osteokonduktywne, które potrafią wywoływać odpowiedź jedynie zewnątrzkomórkową i wykorzystywane są jako rusztowania do nowopowstającej tkanki kostnej.

Jak działa szkło bioaktywne wykorzystywane w stomatologii?

Przy kontakcie z płynami ustrojowymi, na powierzchni bioaktywnego szkła powstaje cienka warstwa hydroksyapatytu węglanowego – to podstawowy materiał tworzący strukturę mineralną kości i zębów. Do tej warstewki dołączone zostają cząstki kolagenu, które dzięki wiązaniom wodorowym, jonowym oraz oddziaływaniom elektrostatycznym łączą się z porowatą warstwą szkła i z czasem tworzą włókniste, kolagenowe struktury, które niczym liny łączą martwą strukturę szkła bioaktywnego z żywą tkanką.

Początkowo sądzono, że bioaktywne szkła mogą wiązać się tylko i wyłącznie z tkankami twardymi – poprzez warstewkę hydroksyapatytu, który jest naturalną częścią składową tych tkanek. Z czasem jednak okazało się, że szkła tego typu mogą również łączyć się z tkankami miękkimi. Dzięki temu szkło bioaktywne znajduje dziś coraz szersze zastosowanie w stomatologii i w innych dziedzinach medycyny wykorzystującej implanty do odtwarzania struktur i funkcji organizmu (np. w laryngologii do tworzenia implantów ucha środkowego|)[1].

Chemiczno-biologiczny mechanizm bioaktywności szkła stosowanego w stomatologii

Proces łączenia szkła bioaktywnego z tkankami jest wieloetapowy i obejmuje trzy typy procesów: wymywanie, rozpuszczanie, wytrącanie. W pierwszych etapach, przemiany, jakie zachodzą na granicy między szkłem a tkanką, mają charakter chemiczny, natomiast końcowe sekwencje są już procesami stricte biologicznymi[2].

• Po kontakcie szkła bioaktywnego z płynem fizjologicznym dochodzi do wymiany dodatnich jonów sodu, potasu i wapnia ze szkła na jony wodorowe (H⁺) i hydroniowe (H₃O⁺) znajdujące się w płynie fizjologicznym. Doprowadza to do zmian pH w szkle oraz dalszej ucieczki kationów i – z czasem – niewielkiej ilości krzemionki z tego materiału.
• Na powierzchni szkła, w bezpośrednim sąsiedztwie z płynem fizjologicznym, pojawia się film żelu krzemionkowego, na którym i w którym powstaje warstwa bogata w tlenki wapnia i fosforu – składniki budujące hydroksyapatyt, który jest podstawowym materiałem tworzącym twarde tkanki zęba i kości.
• Dochodzi do krystalizacji hydroksyapatytu na granicy między szkłem bioaktywnym a płynem fizjologicznym. Na tej warstwie osadzają się czynniki wzrostu; następuje też aktywacja procesów, dzięki którym komórki macierzyste kości ulegną zróżnicowaniu i nieco później dają początek osteoblastom – komórkom kościotwórczym. Ten etap jest płynnym przejściem między reakcjami typowo chemicznymi a procesami biologicznymi.
• Do akcji przystępują makrofagi – komórki żerne, które działają niczym służby porządkowe, gdyż oczyszczają powierzchnię cienkiej warstwy leżącej na granicy między szkłem bioaktywnym a tkanką.
• Dopiero teraz do powierzchni powstałego hydroksyapatytu przyłączają się komórki macierzyste i następuje ich namnażanie (proliferacja) oraz różnicowanie się do osteoblastów.
• Ostatni etap to tworzenie macierzy zewnątrzkomórkowej przez osteoblasty i mineralizacja tej warstwy – dzięki temu powstaje kompletna tkanka łącząca bioaktywne szkło z organizmem.

Praktyczne wykorzystanie szkła bioaktywnego w stomatologii terapeutycznej

Szkło bioaktywne wykorzystuje się w stomatologii terapeutycznej z uwagi na jego następujące właściwości:

• bardzo dobrą biozgodność;
• zdolność do indukowania procesów biologicznych, które służą wytworzeniu nowej tkanki kostnej lub wygaszeniu ogniska zapalnego czy chorobowego;
• długą żywotność w specyficznym, wilgotnym i o zmiennym pH środowisku jamy ustnej.

Aby poprawić właściwości bioaktywne szkła wykorzystywanego w stomatologii terapeutycznej i odtwórczej dodaje się do niego składniki, które mogą zwiększać jego biopotencjał służący lepszemu wiązaniu z tkanką. Są to m.in. następujące dodatki:

• antybakteryjne, np. srebro, miedź, cynk;
• poprawiające i właściwości mechaniczne, np. azot, fluor, stront, fosfor;
• cząstki biologiczne, np.: siRNA (mały odcinek RNA wykorzystywany do regulacji ekspresji genów), czynniki wzrostu, leki.

Ponieważ właściwości bioaktywnego szkła można modyfikować na różne sposoby i w szerokim zakresie, z tego względu materiał ten znajduje zastosowanie w tak zwanym spersonalizowanym leczeniu stomatologicznym[3]. Polega ono na tym, że przygotowuje się specjalne mieszanki szkła bioaktywnego, o cechach i właściwościach, dzięki którym można najefektywniej wykorzystać biopotencjał tego materiału w celu osiągnięcia sukcesu w leczeniu.

Dzięki rozwojowi nanotechnologii coraz większą popularnością cieszy się wykorzystanie nanokompozytów szkła bioaktywnego. Poza składnikami mineralnymi może ono dostarczać do tkanek również wiele składników biologicznie czynnych.

Obecne bioaktywne szkło wykorzystuje się w implantologii, periodontologii, endodoncji, stomatologii zachowawczej do:

• wykonywania wszczepów, które zastępują zębinę, cement, utracone elementy kości szczęki lub kości wyrostka zębodołowego;
• leczenia nadwrażliwości zębów;
• w terapii próchnicy i stanów zapalnych w przyzębiu oraz dziąsłach;
• remineralizacji twardych tkanek zęba[4];
• modyfikacji ceramik stomatologicznych[5],[6].

Uzupełnienia stomatologiczne z tego materiału będą służyć dobrze, jeśli:

• stan przyzębia jest dobry;
• zachowana jest systematyczna i staranna higiena jamy ustnej – gromadzenie się płytki nazębnej i kamienia nazębnego wskutek nieprawidłowej bądź zaniedbywanej higieny jamy ustnej może być przyczyną niewykorzystania biopotencjału szkła bioaktywnego lub skutkować niepowodzeniem leczenia stomatologicznego.

[1]https://www.iasj.net/iasj?func=fulltext&aId=174293

[2]https://www.researchgate.net/publication/272785697_Szkla_bioaktywne_w_inzynierii_tkankowej_Bioactive_glasses_for_tissue_engineering

[3]https://www.jstage.jst.go.jp/article/dmj/35/5/35_2015-428/_pdf

[4]https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0300571217302336

[5]http://jdb.sums.ac.ir/index.php/jdb/article/view/85

[6]https://www.degruyter.com/view/journals/bglass/open-issue/article-10.1515-bglass-2016-0004/article-10.1515-bglass-2016-0004.xml

Sprawdź się!

Bezpłatny quiz na podstawie artykułu: