Умные зубные импланты
Импланты представляют собой скачок прогресса над зубными протезами или мостами, гораздо более надежно подходящими и рассчитанными на 20 лет или более. Но часто имплантаты не оправдают этого ожидания, вместо этого им нужна замена через пять-10 лет из-за местного воспаления или заболевания десен, что требует повторения дорогостоящей и инвазивной процедуры для пациентов.
Исследователи из Школы стоматологии Пенсильванского университета решили заняться этой проблемой. Новый имплантат по их представлениям должен реализовывать две ключевые технологии. Одна из них представляет собой материал с наночастицами, который противостоит бактериальной колонизации. А вторая — это встроенный источник света для проведения фототерапии, приводимый в действие естественными движениями рта, такими как жевание или чистка зубов. В статье, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, и в статье 2020 года в журнале Advanced Healthcare Materials, Хван и его коллеги изложили свою платформу, которая в один прекрасный день может быть интегрирована не только в зубные имплантаты, но и в другие технологии, такие как замена суставов.
"Фототерапия может решить разнообразный набор проблем со здоровьем", - говорит Хван. "Но как только биоматериал имплантируется, нецелесообразно заменять или заряжать батарею. Мы используем пьезоэлектрический материал, который может генерировать электрическую энергию от естественных движений полости рта для подачи света, который может проводить фототерапию, и мы обнаружили, что он может успешно защитить десневую ткань от бактериальных проблем.
Исследователи из Школы стоматологии Пенсильванского университета решили заняться этой проблемой. Новый имплантат по их представлениям должен реализовывать две ключевые технологии. Одна из них представляет собой материал с наночастицами, который противостоит бактериальной колонизации. А вторая — это встроенный источник света для проведения фототерапии, приводимый в действие естественными движениями рта, такими как жевание или чистка зубов. В статье, опубликованной в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, и в статье 2020 года в журнале Advanced Healthcare Materials, Хван и его коллеги изложили свою платформу, которая в один прекрасный день может быть интегрирована не только в зубные имплантаты, но и в другие технологии, такие как замена суставов.
"Фототерапия может решить разнообразный набор проблем со здоровьем", - говорит Хван. "Но как только биоматериал имплантируется, нецелесообразно заменять или заряжать батарею. Мы используем пьезоэлектрический материал, который может генерировать электрическую энергию от естественных движений полости рта для подачи света, который может проводить фототерапию, и мы обнаружили, что он может успешно защитить десневую ткань от бактериальных проблем.
Принципиальная схема бимодальной платформы BTO-нанокомпозитного биоматериала с функциями антибиопленки и автономного питания.
В статье материалом, который исследовали был титанат бария (BTO), обладающий пьезоэлектрическими свойствами и который используются в таких приложениях, как конденсаторы и транзисторы, но еще не был изучен в качестве основы для противоинфекционных имплантируемых биоматериалов. Чтобы проверить его потенциал в качестве основы для зубного имплантата, команда сначала использовала диски с нападением наночастиц BTO и подвергла их воздействию Streptococcus mutans, основного компонента бактериальной биопленки, ответственной за кариес, широко известного как зубной налет. Они обнаружили, что диски сопротивляются формированию биопленки в зависимости от дозы. Диски с более высокой концентрацией BTO лучше предотвращали связывание биопленок.
В то время как более ранние исследования предполагали, что BTO может убивать бактерии напрямую, используя реактивные формы кислорода, генерируемые свето-катализируемыми или электрическими реакциями поляризации, Хван и его коллеги предложили другую модель. ВТО генерирует повышенный отрицательный поверхностный заряд, который отталкивает отрицательно заряженные клеточные стенки бактерий. Вероятно, что этот эффект отталкивания будет длительным, говорят исследователи.
"Мы хотели материал для имплантации, который мог бы противостоять росту бактерий в течение длительного времени, потому что бактериальные проблемы не являются разовой угрозой", - говорит Хван.
Энергетическое свойство материала поддерживалось и при испытаниях с течением времени, материал не выщелачивался. Он также продемонстрировал уровень механической прочности, сопоставимый с другими материалами, используемыми в стоматологических целях.
Наконец, материал не нанес вред нормальной ткани десен в экспериментах исследователей, поддерживая идею о том, что его можно использовать без вредного воздействия на рот.
В то время как более ранние исследования предполагали, что BTO может убивать бактерии напрямую, используя реактивные формы кислорода, генерируемые свето-катализируемыми или электрическими реакциями поляризации, Хван и его коллеги предложили другую модель. ВТО генерирует повышенный отрицательный поверхностный заряд, который отталкивает отрицательно заряженные клеточные стенки бактерий. Вероятно, что этот эффект отталкивания будет длительным, говорят исследователи.
"Мы хотели материал для имплантации, который мог бы противостоять росту бактерий в течение длительного времени, потому что бактериальные проблемы не являются разовой угрозой", - говорит Хван.
Энергетическое свойство материала поддерживалось и при испытаниях с течением времени, материал не выщелачивался. Он также продемонстрировал уровень механической прочности, сопоставимый с другими материалами, используемыми в стоматологических целях.
Наконец, материал не нанес вред нормальной ткани десен в экспериментах исследователей, поддерживая идею о том, что его можно использовать без вредного воздействия на рот.
1. Atul Dhall, Sayemul Islam, Moonchul Park, Yu Zhang, Albert Kim*, and Geelsu Hwang. Bimodal Nanocomposite Platform with Antibiofilm and Self-Powering Functionalities for Biomedical Applications. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 34, 40379–40391. https://doi.org/10.1021/acsami.1c11791
Источники: