Biomateriały stomatologiczne inspirowane naturą

Biomateriały stomatologiczne inspirowane naturą

Streszczenie
Rozwój materiałoznawstwa dentystycznego obejmuje również wprowadzanie nowych komponentów w skład materiałów klasycznych. Przedstawiono krótki rys historyczny biomateriałów do odbudów dentystycznych w kontekście projektowania inspirowanego naturą.

Abstract
Development of dental materials science includes also the insert of new components into the compound of conventional materials. The aim of the study is to present a brief historical view of dental restoratives in term of nature-inspired design.

Hasła indeksowe: szkło-jonomer, projektowanie inspirowane naturą
Key words: glass-ionomer, nature-inspired design

Od zarania dziejów człowiek inspirowany był cudownościami natury, które naśladował odpowiednikami, głównie w wyglądzie, poświęcając mniej uwagi budowie i strukturze. Współczesne projektowanie, inspirowane naturą, wykracza poza podobieństwa estetyczne i zagłębia się w mechanistyczne, strukturalno-fazowe, fizykochemiczne cechy naturalnych systemów.

Pierwsze artykuły opisujące budowę i skład kości, zębów i innych typów zwapnionych tkanek pojawiły się niespełna 350 lat temu. 100 lat później szwedzki chemik i metalurg Johan Gottlieb Gahn odkrył istnienie wapnia i fosforu w kościach. Między innymi dzięki badaniom Tomesa sprzed 130 lat wiemy, że unikalne właściwości fizykochemiczne szkliwa wynikają z wysokiej zawartości hydroksyapatytu. Dzisiejsza wiedza pozwoliła ustalić, że matryca organiczna szkliwa (EOM) i połączenie szkliwa z zębiną (dentin-enamel junction – DEJ) mogą mieć strukturalny i funkcjonalny związek z błonami podstawnymi, np. w skórze, przez obecność kolagenu typu IV i VII oraz metaloproteinazy-20 (1-6).

Fosforany wapnia są integralnym składnikiem systemów geologicznych i biologicznych. Występują one praktycznie we wszystkich skałach i są głównym składnikiem strukturalnym kręgowców. Istnieje kilka formuł fosforanów wapnia: fosforan jednowapniowy (MCPM) Ca(H2PO4)2·H2O, fosforan jednowapniowy bezwodny (MCPA) Ca(H2PO4)2, dwuwodny fosforan wapnia (DCPD, bruszyt) CaHPO4·2H2O, fosforan dwuwapniowy bezwodny (DCPA, monenit) CaHPO4, fosforan ośmiowapniowy (OCP) Ca8H2(PO4)6·5H2O, fosforan α-trójwapniowy (α-TCP) α-Ca3(PO4)2, fosforan β-trójwapniowy (β-TCP) β-Ca3(PO4)2, amorficzny fosforan wapnia (ACP) Cax(PO4)y·nH2O, hydroksyapatyt z niedoborem wapnia (CDHA) Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x, hydroksyapatyt (HA) Ca10(PO4)6(OH)2, fosforan czterowapniowy (TTCP) Ca4(PO4)2O. Fosforany wapnia o stosunku atomowym Ca/P między 1,5 a 1,67 są nazywane apatytami (np. hydroksyapatyt, fluoroapatyt, chloroapatyt).

Termin apatyt został wymyślony 233 lata temu przez geologa Abrahama Gottloba Wernera na podstawie starożytnego greckiego słowa apatao, co oznaczało „wprowadzać w błąd” (7). Minerał ten bowiem często mylono z innymi.

100 lat temu po raz pierwszy zastosowano fosforan wapnia do naprawy kości jako wszczepionego biomateriału. „Abrahama” obchodzi dzisiaj hydroksyapatyt prasowany na gorąco w gęsty proszek. Z kolei Nery wraz ze współpracownikami jako pierwsi opisali dentystyczne zastosowanie fosforanu wapnia, a 40 lat temu do natychmiastowej wymiany korzenia zęba zastosowano gęste cylindry HAp (8-12).

Syntetyczna ceramika HAp, wytworzona na wzór naturalnego hydroksyapatytu, wydaje się najbardziej odpowiednim materiałem do substytucji zębów i/lub kości ze względu na doskonałą biozgodność i bioaktywność. Niestety właściwości mechaniczne czystej ceramiki HAp są słabe. Na przykład wytrzymałość na pękanie (K1c) nie przekracza wartości 1,0 MPa x m1/2 (ludzka kość 2-12 MPa x m1/2). Dodatkowo moduł Weibulla (n) jest niski w wilgotnym otoczeniu (n = 5-12) (13).

W związku z tym nauka zaczęła poszukiwać wzorców w naturze. Proszek skorupki jaja kurzego (chicken eggshell powder – CESP) może być ciekawą alternatywą i podpowiedzią. Składa się z: 94 do 98,2% węglanu wapnia, 0,9%  magnezu i 0,9-1,0% fosforanu oraz około 5% innych substancji organicznych, dlatego jest uważany za bogate źródło soli mineralnych, głównie węglanu wapnia. Skorupki jaja to trójwarstwowe struktury z zewnętrzną błoną, wewnętrznymi gąbczastymi i blaszkowatymi warstwami włókien białkowych, połączonymi kryształami węglanu wapnia. Naturalny hydroksyapatyt może być pozyskiwany nie tylko ze skorupek jaj, lecz także rybich, kurzych i wołowych kości oraz z koralowca (14-17). Na naszym poletku stomatologicznym zostało to eksperymentalnie wykorzystane np. w badaniu, w którym okazało się, że mechaniczne właściwości konwencjonalnego cementu szkło-jonomerowego do odbudowy zostały wzmocnione przez dodanie CESP. Ponadto wzbogacenie CESP nie pogorszyło uwalniania fluoru i wapnia (18).

Jeśli chodzi o zrąb organiczny, jednoznacznie powiązany z kohezją i adhezją materiału, w przeszłości była niejednokrotnie wzmiankowana możliwość wykorzystania naturalnych żywic drzew iglastych w postaci ciekłej lub kopalnych skamielin (19). Pierwsze znane przykłady klejów z paku węglowego i smoły drzewnej były datowane na 200 000 lat, stosowano je do łączenia ze sobą dwóch kawałków narzędzi z kamienia (20).  
W naturze wiele organizmów morskich, takich jak małże, robaki morskie Phragmatopoma californica i pąkle, wytwarza silny mechanizm przyczepności na mokro poprzez zmyślne połączenie chemii katecholi, kompleksu polielektrolitów i struktur supramolekularnych. Przytwierdzanie się małży do różnych powierzchni było przedmiotem jednej z najwcześniej odnotowanych obserwacji dotyczącej bioadhezji. Arystoteles zauważył, że trzymanie się kosmopolitycznych omułków (Pinna nobilis) odbywało się dzięki wytrzymałej wiązce włókien z lepkimi końcami. Termin bisior jako wzorzec bioadhezji został przypadkowo użyty przez Arystotelesa (z greki byssos – „len”) i po dzień dzisiejszy zyskał uniwersalną akceptację (21, 22).

Małże morskie opanowały umiejętność zakotwiczania się na różnych powierzchniach w wodzie morskiej dzięki zastosowaniu białek adhezyjnych. Te białka stóp małży (Mfps) są znane z tego, że szybko się utwardzają i tworzą klejowe płytki o wysokiej sile wiązania międzyfazowego, trwałości i wytrzymałości. Z przylepnych płytek kilku gatunków małży (Mytilus edulis, Mytilus galloprovincialis, Mytilus californianus) zidentyfikowano co najmniej sześć Mfps (od Mfp-1 do Mfp-6). Nowożytne poszukiwania cząsteczek odpowiedzialnych za adhezję bisiorów rozpoczęto 67 lat temu od przełomowego artykułu na temat Mytilus byssus, w którym nawiązano do osobliwego występowania 3,4-dihydroksyfenyloalaniny (DOPA), która jest modyfikowana z tyrozyny poprzez hydroksylację posttranslacyjną. Dostępność pełnej pierwotnej sekwencji szeregu białek zainspirowała do prób wytworzenia kompletnych lub częściowych syntetycznych analogów. Strategie adhezyjne oparte na DOPA są prawdopodobnie dość rzadkie w naturze, ponieważ zostały pozytywnie wykryte tylko w małżach morskich i słodkowodnych, osłonicach, wieloszczetach budujących rafę i niektórych przywrach. Niezależnie od tego proponuje się, aby głębsze zrozumienie molekularnego mechanizmu adhezji bisiorów doprowadziło do fundamentalnych spostrzeżeń dotyczących adhezji w przyrodzie. Katecholowy łańcuch boczny DOPA ma zdolność do tworzenia różnego rodzaju interakcji chemicznych i sieciowania, co nadaje Mfps zdolność do zestalenia się na miejscu i ścisłego wiązania z różnymi rodzajami powierzchni substratów (23-26). Niesamowita, odporna na wilgoć właściwość kleju Mfps zainspirowała naukowców do opracowania szeregu zaawansowanych materiałów funkcjonalnych. Zdolność DOPA do tworzenia silnych odwracalnych i nieodwracalnych interakcji została wykorzystana do stworzenia unikalnej i wszechstronnej platformy do opracowywania klejących polimerów o ulepszonych właściwościach materiałowych (tj. kompozytowych hydrożeli o ulepszonych właściwościach mechanicznych, inteligentnych materiałach i klejach oraz materiałach samonaprawiających się). U omułków te płyny samoprzylepne składają się z Mfps silnie skoncentrowanych, wewnętrznie nieustrukturyzowanych polielektrolitów, które szybko zestalają się po kontakcie z wodą morską. Te międzyfazowe Mfps mają niezwykle dużą liczbę (28-34% molowych) reszt aromatycznych, w tym tyrozyny (Y), tryptofanu (W) i DOPA (posttranslacyjnie zmodyfikowana postać tyrozyny), a także zawierających azot lizyny (L) i argininy (A) (27, 28). W cemencie robaków morskich, w obecności zarówno polianionów (białka bogate w polifosfoserynę), jak i polikationów (białka bogate w lizynę), rozdział faz ciecz-ciecz jest modelowany jako złożony proces koacerwacji prowadzący do równowagi zubożonej w polielektrolity (29).

Bardzo interesujące wydają się casusy stopy gekona, chrząszcza Hemisphaerota cyanea lub żaby Ceratophrys ornata pod kątem zdolności do silnego przyczepiania się do różnych powierzchni, a jednocześnie do przystosowywania się i odzyskiwania po skrajnych naprężeniach mechanicznych. Inspirowany gekonem, biodegradowalny i biozgodny klej został opracowany ze modyfikowanego powierzchniowo poli (akrylan glicerolu-ko-sebacynianu), w układzie filarów w skali nano, stosowanego w połączeniu z cienką powierzchnią reagującą z tkankami (30-32).

Termin „biomimetyczny” pochodzi od greckich słów bios – „życie” (zastanawiająca paralela informatyczna tego akronimu) i mimesis „naśladować”. Według Devigusa termin biomimetyczny stosuje się w stomatologii w kontekście zarówno biologicznym, który koncentruje się na odtwarzaniu/regeneracji oryginalnych tkanek, jak i syntetycznym, skoncentrowanym na użyciu materiałów dentystycznych, które powodują naśladowany wynik biologiczny (33). Odkąd nauka zwróciła uwagę na możliwość wykorzystania materii ożywionej (np. komórki macierzyste lub macierz pozakomórkowa), stomatologia regeneracyjna stała się ważną koncepcją, w której wprowadzono wiele rozwiązań generowania lub regeneracji szkliwa zębów poprzez syntezę z wykorzystaniem środków fizykochemicznych, wzrostu kryształów szkliwa kierowanego przez matrycę białkową, biomineralizacji, inżynierii szkliwa opartej na komórkach oraz biologiczną regenerację szkliwa opartą na indukcji de novo morfogenezy zębów (34-38). Regeneracja nie wchodzi zatem raczej w zakres biomimezy. Z drugiej zaś strony od tysięcy lat ludzkość używa materii nieożywionej, aby zastąpić brakującą tkankę zęba materiałem imitującym/naśladującym naturalny narząd w wyglądzie i funkcji, co dokładnie nazywamy podejściem biomimetycznym /biomimikrą/biomimezą (39, 40). Przykładem jest pierwszy znany opis materiału do wypełnień zębowych pochodzący ze Starego Państwa Egiptu, autorstwa Hesi-Re, sprzed 4500 lat. W składzie tego kompozytu znajdujemy sproszkowany malachit (hydroksywęglan miedzi domieszkowany tlenkami wapnia, cynku i krzemu), ochrę (pigment bogaty w związki żelaza) pochodzącą z ziemi nubijskiej, które stanowiły wypełniacz nieorganiczny; funkcję matrycy organicznej spełniała mieszanina olejów terpentynowych (41). Jednakowoż ta filozofia przywracania/odtwarzania nie odnosi się do naturalnego składu twardych tkanek zęba. Naśladuje jedynie wygląd. Być może koncepcja projektowania przyszłych mezomateriałów dentystycznych czerpiąca z natury mogłaby być złotym środkiem? Mowa tu o syntezie inspirowanej naturą, która wykracza poza podobieństwa wyłącznie estetyczne (42). W tym kontekście czysty cement szkło-jonomerowy bez dodatku metali i monomerów, co dotyczy również lakierów ochronnych (43-45), mógłby być brany pod uwagę jako wzorcowy materiał wyjściowy. Wyniki wcześniejszych badań potwierdzające możliwość tworzenia apatytu, tkanki podobnej do szkliwa w GIC (cement szkło-jonomerowy) są obiecujące. Koncepcja inkludowania nanokryształów fosforanu wapnia/substytuowania wypełniacza szklanego w składzie GIC wydaje się obiecująca. Jednak poszukiwania syntetycznych, inspirowanych naturą mezomateriałów o składzie i budowie/strukturze analogicznej do szkliwa/zębiny/cementu, przekształcających się w pierwotne tkanki twarde gospodarza, powinny skupić się na sterowaniu HAp w celu tworzenia i organizowania się w pryzmaty szkliwa i prostopadle zorientowane pęczki w układ przypominający porządek trójwymiarowy. W tym kontekście nadal nie odkryto przyszłej roli polielektrolitowej matrycy organicznej opartej na polipeptydach szkliwa i zębiny, usieciowanych modyfikowanymi analogami naturalnych substancji adhezyjnych.
 
PIŚMIENNICTWO
1. Leeuwenhoek A.: Microscopical observations concerning blood, milk, bone, the brain, spittle, and cuticula, etc. Philos. Trans., 1674, 9, 121-128.
2. von Bibra E.: Chemische Untersuchungen über die Knochen und Zähne des Menschen und der Wirbeltiere, Schweinfurt, 1844.
3. Tomes Ch.S.: A manual of dental anatomy: human and comparative. Blakiston son and Co, Philadelphia, 1890.
4. Simpson G.G.: Enamel on the teeth of an Eocene edentate. American Museum Natural History, 1932, 21, 1-4.
5. McGuire J.D. i wsp.: Enamel organic matrix: potential structural role in enamel and relationship to residual basement membrane constituents at the dentin enamel junction. Connect. Tissue Res., 2014, 55, 01, 33-37.
6. Nava A., Frayer D.W., Bondioli L.: Longitudinal analysis of the microscopic dental enamel defects of children in Imperial Roman community of Portus Romae necropolis of Isola Sacra, (2nd to 4th century CE, Italy). J. Archeo. Sci. Rep., 2019, 23, 406-415.
7. Weast R.C.: The CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 66, CRC, Boca Raton, F.L., 1985-1986.
8. Von Walter P.: Wiedereinheilung der bei der trepanation ausgebohrten knochenscheibe. J. Chir. Augen Heilkd., 1821, 2, 571.
9. Albee F.H., Morrison H.F.: Studies of bone growth-triple calcium phosphate as a stimulus to osteogenesis. Ann. Surg., 1920, 71, 32-39.
10. Levitt S.R. i wsp.: Forming methods for apatite prosthesis. J. Biomed. Mater. Res., 1969, 3, 683-684.
11. Nery E., Lynch K.L., Hirthe W.M.: Bioceramic implants in surgically produced infrabony defects. J. Periodontol., 1975, 46, 328-347.
12. Denissen H.W., de Groot K.: Immediate dental root implants from synthetic dense calcium hydroxylapatite. J. Prosthet. Dent., 1979, 42, 551-556.
13. De With G. i wsp.: Preparation, microstructure and mechanical properties of dense polycrystalline hydroxyapatite. J. Mater. Sci., 1981, 16, 1592-1598.
14. King’Ori A.M.: A review of the uses of poultry eggshell and shell membrane. Int. J. Poult. Sci., 2011, 10, 908-912.
15. Atiyah A.G., AL-Falahi N.H., Farhan F.K.: Synthesis and structure of eggshell hydroxyapatite bone implant. J. Veter. Res., 2018, 22, 6, 486-491.
16. Sivakumar M., Sampath T.S., Kumart K.L.: Development of hydroxyapatite derived from Indian coral. Biomater., 1996, 17, 1709-1714.
17. Ooi C.Y., Hamdi M., Ramesh S.: Properties of hydroxyapatite produced by annealing of bovine bone. Ceram. Int., 2007, 33, 1171-1177.
18. Allam G., El-Geleel O.A.: Evaluating the Mechanical Properties, and Calcium and Fluoride Release of Glass-Ionomer Cement Modified with Chicken Eggshell Powder. Dent. J., 2018, 6, 40, 1-8.
19. Zwenger S., Basu Ch.: Plant terpenoids: applications and future potentials. Biotechnol. Mol. Biol. Rev., 2008, 3, 1, 01-07.
20. Mazza P.P.A. i wsp.: A new palaeolithic discovery: Tar-hafted stone tools in a european mid-pleistocene bone-bearing bed. J. Archaeolog. Sci., 2006, 33, 1310-1318.
21. Thompson d’Arcy W.: Aristoteles. Historia animalium. Trans., 1910, 4, Oxford University Press, Oxford.
22. Van der Feen P.: Byssus. Basteria, 1949, 13, 66-71.
23. Waite J.H.: Nature’s underwater adhesive specialist. Int. J. Adhes. Adhes., 1987, 7, 9-14.
24. Waite J.H.: The phylogeny and chemical diversity of quinone-tanned glues and varnishes. Comp. Physiol. Biochem., 1990, 77B, 19-29.
25. Zhao H., Waite J.H.: Linking adhesive and structural proteins in the attachment plaque of Mytilus californianus. J. Biol. Chem., 2006, 281, 26150-26158.
26. Brown C.H.: Some structural proteins of Mytilus edulis. Microsc. Sci., 1952, 93, 487-502.
27. Wei W. i wsp.: A mussel-derived one component adhesive coacervate. Acta Biomater., 2014, 10, 1663-1670.
28. Maier G.P. i wsp.: Adaptive synergy between catechol and lysine promotes wet adhesion by surface salt displacement. Science, 2015, 349, 6248, 628-632.
29. Endrizzi B.J., Stewart R.J.: Glueomics: an expression survey of the adhesive gland of the sandcastle worm. J. Adhes., 2009, 85, 546-559.
30. Autumn K. i wsp.: Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2002, 99, 19, 12252-12256.
31. Slater D.M. i wsp.: Beetle-inspired adhesion by capillary-bridge arrays: pull-off detachment. J. Adhes. Sci. Technol., 2012, 8, 1-17.
32. Kleinteich T., Gorb S.N.: Tongue adhesion in the horned frog Ceratophrys sp. Sci. Rep., 2014, 4, 5225, 1-8.
33. Devigus A.: Dentistry inspired by nature. Editorial. Int. J. Esthet. Dent., 2017, 12, 2, 133.
34. Hopewell-Smith A.: Concerning human cementum. J. Dent. Res., 1920, 2, 1, 59-76.
35. Woehrle R.R.: Cementum regeneration in replanted teeth with different pulp treatment. J. Dent. Res., 1976, 55,2, 235-238.
36. Hołubowicz R. i wsp.: Biomineralization – precision of shape, structure and properties controlled by proteins. Post. Bioch., 2015, 61, 4, 364-380.
37. Pandya M., Diekwisch T.G.H.: Enamel biomimetics—fiction or future of dentistry. Int. J. Oral. Sci., 2019, 11, 8, 1-9.
38. Linderer J.: Die Zahnheilkunde nach ihrem neuesten Standpunkte. Berlin, 1851.
39. Hoffmann-Axthelm W.: History of Dentistry. Quintessence Publishing Co., Inc., 1981.
40. Grapow H., von Deines H.: Grundriss der Medizin der Alten Ägypter. Akademie-Verlag, Berlin, 1954-1973.
41. Perera A.S. Coppens M.O.: Re-designing materials for biomedical applications: from biomimicry to nature-inspired chemical engineering. Phil. Trans. R. Soc., 2018, 377, 1-21.
42. Shebl E.A. i wsp.: Durability of bond strength of glass-ionomers to enamel. Tanta Dent. J., 2015, 12, 16-27.
43. Hasani Y.S. i wsp.: The Effect of Disinfection with Chlorhexidine on the Shear Bond Strength of Equia Resin-Modified Glass Ionomer Cement to Dentin in Permanent Teeth after Two Thermocycling Protocols. J. Dent. (Shiraz), 2017, 18, 4, 265-271.
44. Lopes C.M.C. i wsp.: Randomized Clinical Trial of ART Class II Restorations Using Two Glass Ionomer Cements: One-Year Follow-Up. Pediatr. Dent., 2018, 40, 2, 98-104.
45. Meral E., Baseren N.M.: Shear bond strength and microleakage of novel glass-ionomer cements: An In vitro Study. Niger. J. Clin. Pract., 2019, 22, 566-572.
poprzedni artykuł