Более 3 миллионов человек в Америке имеют зубные имплантаты, которые используются для замены зуба, потерянного в результате кариеса, заболевания десен или травмы. Имплантаты – это шаг вперед по сравнению с зубными протезами или мостами, они гораздо надежнее устанавливаются и рассчитаны на срок службы 20 и более лет.
Но часто имплантаты не оправдывают ожиданий, вместо этого требуется замена через 5-10 лет из-за местного воспаления или заболевания десен, что требует повторения дорогостоящей и инвазивной процедуры для пациентов.
"Мы хотели решить эту проблему и поэтому придумали новый инновационный имплант," говорит Гилсу Хванг, доцент Школы стоматологической медицины Пенсильванского университета, имеющий инженерный опыт, который он привносит в свои исследования проблем со здоровьем полости рта.
По словам Хванга, в новом имплантате будут реализованы две ключевые технологии. Один из них – это материал, содержащий наночастицы, который сопротивляется бактериальной колонизации. А второй – это встроенный источник света для проведения фототерапии, питаемый естественными движениями рта, такими как жевание или чистка зубов. В статье в журнале ACS Applied Materials & Интерфейсы и статья 2020 года в журнале Advanced Healthcare Materials, Хван и его коллеги излагают свою платформу, которую однажды можно будет интегрировать не только в дентальные имплантаты, но и в другие технологии, такие как замена суставов.
"Фототерапия может помочь в решении самых разных проблем со здоровьем," говорит Хван. "Но после имплантации биоматериала заменять или перезаряжать батарею становится непрактично. Мы используем пьезоэлектрический материал, который может генерировать электрическую энергию от естественных движений полости рта, чтобы обеспечить свет, который может проводить фототерапию, и мы обнаружили, что он может успешно защитить ткань десен от бактериального заражения."
В этой статье исследователи исследовали материал титанат бария (BTO), который обладает пьезоэлектрическими свойствами, которые используются в конденсаторах и транзисторах, но еще не использовался в качестве основы для имплантируемых антиинфекционных биоматериалов. Чтобы проверить его потенциал в качестве основы для зубного имплантата, команда сначала использовала диски с наночастицами BTO и подвергла их воздействию Streptococcus mutans, основного компонента бактериальной биопленки, ответственной за разрушение зубов, обычно известного как зубной налет. Они обнаружили, что диски сопротивлялись образованию биопленок дозозависимым образом. Диски с более высокими концентрациями BTO лучше предотвращали связывание биопленок.
В то время как более ранние исследования предполагали, что BTO может убивать бактерии напрямую, используя реактивные формы кислорода, генерируемые световыми катализаторами или реакциями электрической поляризации, Хван и его коллеги не обнаружили, что это так из-за кратковременной эффективности и нецелевых эффектов этих подходы. Вместо этого материал генерирует повышенный отрицательный поверхностный заряд, который отталкивает отрицательно заряженные клеточные стенки бактерий. Исследователи говорят, что этот эффект отталкивания будет продолжительным.
"Нам был нужен материал имплантата, который мог бы противостоять росту бактерий в течение длительного времени, потому что бактериальные инфекции не являются разовой угрозой," Хван говорит.
Электроэнергетические свойства материала были поддержаны, и в ходе испытаний с течением времени материал не выщелачивался. Он также продемонстрировал уровень механической прочности, сопоставимый с другими материалами, используемыми в стоматологии.
Наконец, в экспериментах исследователей материал не повредил нормальную ткань десны, что подтверждает идею о том, что его можно использовать без вредного воздействия во рту.
Технология является финалистом программы ускорителей исследований Научного центра, программы QED Proof-of-Concept. Как один из 12 финалистов, Хван и его коллеги получат рекомендации от экспертов по коммерциализации. Если проект станет одним из трех финалистов, группа может получить финансирование в размере до 200000 долларов США.
В будущей работе команда надеется продолжить доработку "умный" система дентальных имплантатов, тестирование новых типов материалов и, возможно, даже использование асимметричных свойств на каждой стороне компонентов имплантата, один, который способствует интеграции тканей на стороне, обращенной к деснам, и другой, который препятствует образованию бактерий на стороне, обращенной ко всей остальной части рта.
"Мы надеемся на дальнейшее развитие системы имплантатов и, в конечном итоге, на коммерциализацию ее, чтобы ее можно было использовать в стоматологической сфере," Хван говорит.