29 октября 2017г.
Введение
Дентальная имплантация в настоящее время относится к наиболее динамично развивающимся областям в клинической стоматологии. Отличным результатом является восстановление функции зубо- челюстной системы, что не возможно без прочной связи между имплантатом и костной тканью – остеоинтеграции. Неудовлетворительные результаты дентальной имплантации (на настоящий момент порядка 5%) специалистами в основном объясняется недостаточной остеоинтеграции имплантатов. Активная модификация поверхности имплантата с окружающей костью является основным подходом к улучшению остеинтеграциии.
Формируют макро- и микрорельеф поверхности имплантатов и/или модифицируют ее с помощью разнообразных технологий: окисления, напыления, химического травления, химической адгезии субстратов остеогенеза. В литературе описаны пути повышения остеоинтеграции за счет создания биомиметичного микрорельефа поверхностей , а так же с помощью покрытия имплантатов.
Новая возможность изготавливать имплантаты и контролировать свойства поверхности имплантатов на
наноразмерном уровне раскроет возможности по к улучшению их свойств. Молекулы с активными биологическими эффектами (адгезивных, факторов рост а и т.п.) контролируются в процессе размещения на поверхности имплантатов, что позволяет добиться быстрого создания остеогенеза.
Существует необходимость структурировать и сопоставить существующий объем знаний в области разработки наноразмерных биоактивных поверхностей дентальных имплантатов, для определения наиболее эффективного пути их усовершенствования.
1. Влияние структуры поверхности на остеоинтеграцию
Дентальный имплантат должен отвечать двум специфическим требованиям: способностью к быстрой полноценной остеоинтеграции и долговечности функционирования «кость – имплантат» .В связи с минимально необходимой величиной для точного химического анализа и свойств, считается, что поверхность представляет собой первые 100 нм в глубину дентального имплантата. Тесный контакт между костью и материалом поверхности является остеоинтеграция, благодаря кристаллизации гидроксиапатита (ГА).
Несмотря на плотность установке имплантата, между ним и костью реципиента сохраняется неравномерный зазор (10-50 мкм), который на ранних сроках остеоинтеграции может увеличиваться до 200-
500 мкм. Где и происходит комплекс событий с участием компонентов крови и тканевой жидкости, приводящий к инициализации синтеза вначале органического костного матрикса остеогенеза, а затем и ГА
.Признаками первичной стабилизации является костная муфта вокруг имплантата, формирующая к 30-м суткам. Справедливо говорить о полноценном ремоделировании кости в пределах 2-5 мм вокруг имплантата, которое занимает от 2 до 6 месяцев и обеспечивает вторичную стабильность имплантата.
В зависимости от размера текстуры микрорельеф поверхностей делят на четыре класса :гладкие
(менее 0,5 мкм), минимально грубые (от 0,5 до 1,0 мкм), умеренно грубые (от 1,0 до 2,0 мкм), и грубые поверхности с шероховатостью более 2,0 мкм. Вплоть до нано-уровня можно формировать рельеф поверхности имплантата. Существуют сотни разнообразных методик модификации поверхностей имплантатов, но все они могут быть сведены к трем подходам: изменению состава основного материала, удалению части основного материала с поверхности, добавлению другого материала на поверхность основного.
Из 39 полнотекстовых научных статей, представивших результаты завершенных оригинальных исследований в области усовершенствования поверхности дентальных имплантатов
В открытых базах Medline, PubMed и Google scholar в 1988-2012 г.г. 39 научных статей о
результатах завершенных исследований в области усовершенствования поверхности дентальных имплантатов. Семь работ доказывают более прочную остеоинтеграцию при увеличении шероховатости поверхности имплантатов, 13 статей оповещают о различной техники получения наноразмерного рельефа.
Сравнению физико-химических и биологических характеристик имплантатов с поверхностной микро- и нанотопографией были посвящены 11 статей. 8 – доказывали, что остеобласты предпочитают адгезию к наноструктурам, по сравнению с «наногладкой» поверхностью.
2. Частичное решение проблемы с помощью рельефных покрытий.
Покрытия на основе биологически активных фосфатов кальция – ГА и трифосфата кальция активно используются в дентальной стоматологии. Семейство биокерамики составляют силикат-содержащие покрытия (биостекла). Полная тождественность природным материалам, из которых состоят кости и твердые ткани зуба является основным достоинством. Биокерамика уменьшает высвобождение ионов металлов в ткани, обеспечивает качественное сцепление с имплантатом, а так же обеспечивает полную остеоинтеграцию.
Плазменное напыление является самым популярным методом формирования ГА покрытия. Данный метод предполагает только элементарный контроль толщины более 50 мкм покрытия и его состава. Покрытие получается неоднородным по толщине и по прочностным характеристикам и растворимости.
Кальций-фосфатные покрытия оказались успешными и долговечными. В одном мета-анализе сделан вывод о том, что долгосрочные клинические данные об имплантатах с кальций-фосфатными покрытиями весьма ограничены, и выживаемость не отличается от показателей при использовании имплантатов без покрытия. Требуется дальнейшая детализация показаний (например, остеопороз) к их применению и хорошие мультицентровые исследования .
Наименее изученным процессом при взаимодействии имплантатов с биокерамическими покрытиями с тканями реципиента, является динамическое высвобождение ионов кальция и фосфатов в зону остеоинтеграции. Чем больше ГА будет в составе покрытий в микро- и нанокристаллической форме, тем более они функциональны и долговечны .Предлагаются варианты градуированных покрытий для преодоления проблем с растворимостью покрытий. Посредством биомиметических подходов технологии внесения ГА на поверхность имплантата, таких как гальванотехника или погружение в полиэлектролитные гелевые эмульсии были посвящены недавние исследования .
Использование магнетронного напыления, которое может обеспечить получение более тонких слоев (менее1 мкм) является еще одним решением этих проблем. Не стоит забывать, что данный метод не подходит для покрытия имплантатов сложной формы, а высокая стоимость является общей ключевой причиной, затрудняющих клиническое внедрение .
Для получения нанополиморфного ГА покрытия шероховатых имплантатов из чистого титана с успехом использовали технику пламенного напыления и низкотемпературной кальцинации M. Yamada et al. Исследования показали увеличение доли костно–имплантационных контактов и объема костной ткани в пределах 50 мкм вблизи поверхности имплантата, а также, заметное снижение доли мягких тканей в этой зоне.
Хорошие результаты были получены c ГА покрытиями имплантатов из циркония. Нанокомпозиты доказали хорошие физические, физико-химические свойства и остеоиндуктивную активность на культурах остеобластов.
С середины 90-х годов прошлого века внедрились в практику кремний-содержащие покрытия (биостекло). В состав покрытия входят Si-Ca-Mg-Na-K-P-O, и могут быть нанесены на поверхность любой сложности методом эмалирования, осаждения из системы «золь – гель», плазменного, радиочастотного напыления или импульсного лазерного осаждения имеют умеренную степень биорезорбции и обеспечивают стимуляцию остеогенеза.
А.П. Рубштейн и соавт. наглядно показали, что углеродные алмазоподобные пленки толщиной 20-50 нм, полученные дуговым осаждением графита, ускоряют формирование соединения с титановыми имплантатами.
Хитозан рассматриваются в качестве субстратного покрытия, он обладает смачиваемостью и степенью биорезорбции, способен индуцировать остеогенез на культуре остеобластов. В зоне остеоинтеграции происходило более интенсивное новообразование костной ткани в сочетании с морфологическими признаками выраженного ремоделирования и уплотнения окружающей костной ткани, при имплантации титановых стержней с биоактивной пористой поверхностью и напылением мелкодисперсного хитозана.
3. Применение наноразмерных покрытий и нанокомпозитов
В настоящий момент перспективность использования нанотехнологий при формировании поверхности дентального имплантата частично скомпрометирована частым использованием термина «нано», что многократно превышает число реальных разработок в области нанотехнологий. К наноструктурам относятся изделия от 0,1 нм до 100 нм. Трехмерные нанообъекты именуются наночастицами, двумерные - наноповерхностями, одномерные - нанотекстурированными поверхностями, а отдельные молекулы, связанные с поверхностью, не рассматриваются как наночастицы. Разработчики должны предъявлять для доказательства результаты полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии, чего в большинстве случаев не происходит.
Нанорельефные поверхности должны проявлять принципиально иные, чем микрорельеф, свойства ввиду крайне высокой поверхностной энергии. Это должно обеспечивать лучшую смачиваемость поверхности и адгезию молекул фибрина и матричных протеинов.
Химическая наногравировка является одним из апробированных методов создания наноструктурированной поверхности. С помощью этой методики могут быть созданы повторяющиеся наноструктуры - показали результаты in vitro. Существуют попытки предсказать поведение клеток и экспрессию ключевых генов остеогенеза при контакте с наноповерхностями заданной текстуры. Такая же работа проводится в области коллоидной литографии .
Еще экспериментальный метод наномодификация является использование нанопленок титана с шероховатостью около 8-10 нм. Речь идет явно о модификации поверхности, а не покрытии иным материалом, и авторы указывают на хорошие показатели клеточной адгезии, пролиферации и дифференцировки в опытах in vitro .
Проводилась попытка формирования нанослой активного диоксида титана на поверхности титана. Удавалось создавать истинные нанотрубки для имплантатов методом анодного окисления. Предполагалось их заполнять биоактивными молекулами для дополнительной стимуляции остеоинтеграции. Это направление модификации все еще пропагандируется как вариант для улучшения клеточной адгезии и уменьшения бактериальной пролиферации.
Большинство разработанных покрытий на основе ГА и фосфата кальция являются микрометрическими, недавно получено покрытие с контролируемыми слоями фосфата кальция ( 30-50 нм) , благодаря использованию техники ионно-лучевого стимулированного осаждения (IBAD. Серьезные исследования выявили неконтролируемый характер поверхности с текстурой от 30 до 500 нм, что явно выходит за пределы понятия «нано». К тому же имплантаты уступали по клиническим результатам «чистым» титановым конструкциям. Продолжаются единичные попытки продвигать использование фосфатов кальция или ГА в виде нанокристаллических , но в целом интерес к этому варианту модификации сокращается ввиду отсутствия каких-либо преимуществ в клинической практике.
Безответным вопросом модификации биокерамических покрытий остается армирование их разнообразными наночастицами. Увеличение прочности в ущерб вязкости приводит к нестабильности покрытия, его растрескиванию и нарушению остеоинтеграции имплантат .Необходимо отметить использование высокодисперсной смеси небольшого количества оксида циркония частиц с оксидом алюминия в качестве основы является перспективным методом. Данные напыления имеют схожие значения твердости и вязкости к алюминию и термостабильность, позволяющие использовать их в качестве ортопедических материалов.
Органические/неорганические гибридные композиты не нашли применения в дентальной имплантологии ввиду значительных проблем с механическими характеристиками и деградацией в естественных условиях.
Немного коммерческих имплантатов содержат реальные наноструктуры (например, Osseospeed, AstraTech, Швеция и Ossean, Intra-Lock, США), да и распространенность микрорельефных покрытий (например, Bicon, США) невысока.
Идеальные покрытия будут изготовлены не с помощью одной какой-либо процедуры или материала, а путем комбинирования нескольких подходов, учитывающих все уровни взаимодействия имплантата и ткани реципиента. Эффективное решение видится в опоре на принципы функциональной тканевой инженерии, которая рассматривает процесс остеоинтеграции как формирование гибридной биомеханической системы с построением расчетных моделей на основе принципа достижения необходимых конечных результатов функционирования.
Заключение
На основе постоянных совершенствований свойств поверхности дентальных имплантатов в клинике добились высоких результатов в дентальной имплантации. Перспективными являются контролируемые модификации поверхности на наноуровне двумерной (нанопаттерны) и одномерной природы (нанопоры и наностолбики). Проблема лишь в раскрытии закономерностей связи между составом, тонкой текстурой поверхности и ожидаемыми биомеханическими свойствами имплантатов, общей динамикой остеоинтеграции. Откроет дополнительные возможности адаптировать технологию дентальной имплантации к конкретным потребностям пациента и позволит существенно увеличить долговечность работы имплантатов в организме. Следующее поколение материалов должно обладать способностью к самовосстановлению, как это возможно для ряда других биогибридных конструкций. Идеальный имплант, в перспективе, будет представлен сочетанием искусственных материалов с заранее заданными и контролируемыми свойствами.
