Биомиметические зубные имплантаты (имплантаты, вдохновленные природой) создаются путем модификации поверхности титана. Для создания имплантатов, имеющих способность к самоочищению и антибактериальными свойствами, ученые вдохновляются…. Цикадами, стрекозами, кожой акулы, лапками геккона и листьями лотоса! Да, да, вы не ослышались. Их поверхность является наноструктурированной, состоящей из сотни трубочек и чешуек, а шероховатые структуры имеют увеличенную площадь поверхности и могут влиять на рост и дифференцировку клеток, антимикробные свойства, а также способны улучшать специфические белковые взаимодействия, то есть улучшать самый важный момент в имплантации — остеоинтеграцию!
БИОПЛЕНКА — наш враг!
На части имплантатов под коронками, находящимися в десне, оседает биопленка, которая может вызвать воспаление и развитие периимплантита. Наличие высокого уровня глюкозы в слюне и крови, наблюдаемое у пациентов с сахарным диабетом, вызывает слабую активность нейтрофилов, повреждение мелких сосудов и невропатию, что еще больше способствует росту и колонизации бактерий. Золотистый стафилококк, кишечные палочки и Candida albicans, а также Prevotella nigrescens, Campylobacter rectus, Campylobacter rectus и Aggregatibacter actinomycetemcomitans, особенно серогруппы В, являются основными видами бактерий, вызывающих периимплантит.
Способ борьбы с микробной инфекцией — антибиотики. Однако системное применение антибиотиков имеет такие недостатки, как токсичность, нарушение микрофлоры кишечника,низкая биодоступность и избирательность, развитие у бактерий устойчивости (резидентности), что делает местное лечение антибиотиками предпочтительным методом введения лекарственных средств.
Развитие микроорганизмов, устойчивых к противомикробной терапии, затруднило лечение инфекции у больных сахарным диабетом, поэтому именно противоинфекционные биомиметические материалы, которые демонстрируют бактериостатические (препятствующие размножению микроорагнизмов) или бактерицидные (убивающие микроорганизмы) свойства, наряду с функцией остеогенеза (размножение клеток костной ткани), опосредованной наноструктурированными поверхностями, вызвали любопытство исследователей.
Некоторыми из подходов к локализованной доставке лекарственных средств, применяемых в имплантатах, являются техника поверхностной иммобилизации (фиксации частиц антибиотика на поверхности), контролируемое высвобождение лекарственного средства из имплантатов с покрытием и интеллектуальные зубные имплантаты с внутренними каналами, усиленными углеродными наноматериалами (CNMS).
В нескольких исследованиях была предпринята попытка имитировать нанотекстуру природных поверхностей, таких как цикада, крылья стрекозы и модифицированные лапы геккона, эти структурно измененные супергидрофобные поверхности имплантатов оказались особенно эффективными в качестве стабильных антибактериальных поверхностей, поскольку их самоочищающиеся и водостойкие характеристики предотвращают развитие и прилипание бактерий, обеспечивая противообрастающий эффект.
Поверхность, вдохновленная насекомыми?
Геккон знаменит своими выпуклыми пальцами, покрытыми сотнями микроскопическимиволосками, щетинками, способными прилипать к различным поверхностям. Используя эту наноструктуру для модификации зубных имплантатов, можно получить поверхности с бактерицидными, противообрастающими и супергидрофобными свойствами. Крылья цикад сделаны из шипов,конусообразных нанопилляров и проявляют антибактериальную активность, которые при изготовлении методом нанопечатной литографии и реактивного ионного травления представляют интересный антибактериальный механизм. Когда бактерии попадают на крыло цикады, они соприкасаются с кончиками наностержней и перемещаются вниз. Конусообразные нанопилляры растягивают свои мембраны по мере движения бактерий, разрушая мембраны микроорганизмов и убивая их. Бактерии с менее жесткой мембранной структурой быстро растягиваются и разрушаются.
Другим наноструктурным антибактериальным средством является гидроксиапатит, легированный фтором (FHA). Гидроксиапатит, важный компонент нормальных костей и зубов, обеспечивающий жесткость конструкции. Поверхность с нанопаттерном FHA, вдохновленная цикадой, эффективна как против грамположительных, так и против грамотрицательных бактерий. Покрытия из гидроксиапатита помогают добиться лучшей клеточной пролиферации, а также дифференцировки. Аналогичное строение имеет крыло стрекозы.
Узоры, вдохновленные животными
Кожа акулы имеет сложную структуру поверхности, состоящую из плакоидных чешуек или кожных зубчиков. Эти зубчики имеют ребристую форму, а поверхность вогнутых канавок имеет наноструктурированные выступы. Микротопография кожи акулы предотвращает оседание микробов на коже. Подходы к созданию искусственной поверхности с характеристиками акульей кожи включают микроформование и вакуумное литье. Чиен и его коллеги недавно сообщили, что золотистый стафилококк (один из самых резистентных ко всем видам антибиотиков микроорганизм) не показал поверхностного прикрепления к биомиметическому рисунку кожи акулы, таким образом имплантаты, созданные по образу акульей кожи обладают противообрастающими свойствами, которые могут предотвращать бактериальную адгезию.
Узоры, вдохновленные растениями
Микро- или нанопаттерны на листьях растений лотоса и таро, обладают противообрастающими, супергидрофобными и самоочищающимися свойствами. Микроэллиптические бугорки, покрытые воскообразными наноразмерными эпикутикулярными кристаллами диаметром 10-30 мкм, делают поверхность гидрофобной. Антибактериальная активность листьев лотоса и таро объясняется физико-химическим взаимодействием между бактериями и поверхностью листьев, при котором грязь и бактерии прилипают к каплям воды, а не к поверхности.
Имплантаты, вдохновленные мидиями?
Влияние шероховатости поверхности на бактерии противоречиво: некоторые утверждают, что шероховатость поверхности способствует прикреплению бактерий, а другие утверждают обратное. Материалы с повышенной шероховатостью поверхности и поверхностной свободной энергией обладают более высокими супергидрофобными характеристиками , и именно явления захвата воздуха на шероховатых поверхностях могут объяснить эту взаимосвязь. Когда шероховатая поверхность вступает в контакт с жидкостью, может быть достигнуто состояние Кэсси-Бакстера, т.е. воздух заключен в кратеры/впадины. Среда, содержащая бактерии, должна сначала увлажнить поверхность бактерий, чтобы способствовать их прилипанию к поверхности. Прикрепление бактерий уменьшается, когда поверхностному увлажнению препятствует гидрофобная поверхность, задерживающая воздух в течение первого часа контакта.
Мидии обладают высокой адгезионной способностью, что является результатом выделения ножками мидии белков в клейком налете биссуса , позволяющимим выдерживать высокое напряжение сдвига потока воды. Эти белки стопы включают аминокислоты 3,4-дигидрокси-L-фенилаланин (DOPA) и лизин, использование данных белков в модификации поверхности имплантатов приводит к усилению первых этапов приживления в кости. Также эти белки могут фиксировать на себе инсулин, играющий жизненно важную роль в заживлении ран и успехе дентальной имплантации у пациентов с сахарным диабетом.
Малекзадач и др. покрыли титановые диски инсулином. Это исследование продемонстрировало, что контролируемое высвобождение инсулина благотворно влияет на процесс минерализации костной ткани, стимулирует выработку остеобластного матрикса и формирование остеоида. Как у пациентов с диабетом, так и у недиабетиков местное применение инсулина с замедленным высвобождением помогает улучшить заживление ран за счет быстрой эпителизации, не влияя на нормальный уровень глюкозы в крови.
Углеродные нанотрубки
Углеродные наноматериалы (CNM) переносят лекарственные средства посредством π-π (Pi) стэкинг-взаимодействия, покрытия CNMs на биомиметических зубных имплантатах могут служить системой высвобождения лекарственных средств, которая, например, помогает доставлять инсулин к месту раны, ускоряя заживление и остеоинтеграцию. Помимо их способности служить эффективными платформами доставки лекарств, CNM также являются признанными антибактериальными агентами, чаще всего с помощью контактно-опосредованного биоцидного действия. Проницаемость клеточной стенки бактерий изменяется под действием положительно заряженных наночастиц, которые электростатически притягивают отрицательно заряженную мембрану бактериальной клетки, что приводит к ее разрыву с последующей утечкой внутриклеточных органелл. Так же углеродные наноматериалы обладают противовоспалительными свойствами, которые могут регулировать активность иммунных клеток и снижать секрецию провоспалительных цитокинов.
- Поверхность, покрытая нанотрубками из оксида титана — усиливает остеоинтеграцию имплантата и ингибируют (снижает) образование остеокластов (клеток, рассасывающих кость).
- Поверхность, покрытая гидроксиапатитом — значительно увеличивает объем роста новой кости, контакт кости с имплантатом и шероховатость поверхности.
- Покрытие на основе гидроксиапатита и кремния — способствует остеоинтеграции за счет увеличения контакта кости с имплантатом.
- Покрытие из наночастиц золота из хитозана — способствует остеоинтеграции зубных имплантатов даже при остеопорозе.
- Наночастицы диоксида титана, нанесенные лазером — значительно увеличивает объем роста новой кости, контакт кости с имплантатом и шероховатость поверхности.
- Наночастицы оксида алюминия — способствует образованию новой кости с помощью гаверсовых каналов, остеобластов и остеоцитов.
- Зубные имплантаты с покрытием из полидопамина, наночастицы золота в сочетании с miR204 — способствует функционализации материала имплантата, усиливает прикрепление костных клеток и способствует заживлению ран.
- Наночастицы золота в сочетании с miR204 — восстанавливает неправильную экспрессию miR204 и повышает остеогенную активность костных мезенхимальных стромальных клеток.
- Фосфат кальция — ускоряет фиксацию имплантата и реакцию на заживление кости за счет увеличения контакта кости с имплантатом.
Использование биомиметических принципов повышает вероятность успешного применения имплантатов у пациентов с сахарным диабетом, а их антибактериальные свойства могут помочь в профилактике периимплантита. Использование углеродных наноструктур позволяет этим материалам эффективно переносить лекарства и имитировать белковые каналы, помогая достичь лучшего результата при заживлении ран и тем самым снизить частоту отторжений зубных имплантатов. Именно адаптивность наноматериалов, позволяет решать такие проблемы, как инфицирование раневой поверхности, замедленная регенерация тканей и низкая способность к остеоинтеграции у пациентов с сахарным диабетом.
Предыдущие статьи по теме вы можете найти по ссылке ниже:
Имплантация при сахарном диабете
Приживаемость имплантатов при сахарном диабете
Не прижился имплантат, что делать?
Если статья вам была интересной и полезной, ставьте лайк и подписывайтесь на канал! Дальше будет только интереснее.
Использованная литература:
Vijay R, Mendhi J, Prasad K, Xiao Y, MacLeod J, Ostrikov KK, Zhou Y. Carbon Nanomaterials Modified Biomimetic Dental Implants for Diabetic Patients. Nanomaterials (Basel). 2021 Nov 5;11(11):2977. doi: 10.3390/nano11112977. PMID: 34835740; PMCID: PMC8625459.