Nanotechnologia jest prężnie rozwijającą się dziedziną nauki, stanowiącą połączenie chemii, fizyki
w skali molekularnej oraz biologii (do niedawna ograniczonej do skali mikro). Bada ona zjawiska zachodzące w naturze, a także stworzone w systemach sztucznych, gdzie analizuje możliwości umieszczania, wymiany i monitorowania molekuł naturalnych lub sztucznie utworzonych w skali nano, tj. kilka rzędów mniejszej niż to miało miejsce dotychczas. Jednostka nanometr, jest esencją małości i oznacza jedną bilionową część metra (10-9 m).

W prezentacji przedstawię dotychczasowe zastosowania nanotechnologii, rozwój urządzeń rejestrujących zjawiska w skali nano, a także ostatnie zastosowania tej technologii w stomatologii.

Możliwości zastosowania nanotechnologii

Wiele badań z dziedziny nanotechnologii opiera się na analizie naturalnych systemów biologicznych jako podstawie działania. Takie systemy w sposób naturalny pozwolą na zespolenie chemii molekularnej z molekularną biologią i fizyką, co umożliwi w przyszłości lepsze rozumienie zjawisk w skali nano, obecnie interpretowanych i mierzonych zróżnicowanymi i odległymi od siebie metodami.

Równocześnie trwają też intensywne prace nad stworzeniem systemów sztucznych dorównujących systemom naturalnym. Przykładem mogą być systemy komputerowe, gdzie można gromadzić na niewielkim twardym dysku ogromną ilość danych i przetwarzać je w krótkim czasie, co przekracza przeciętne możliwości pojedynczego człowieka.

Generyczna podstawa nanotechnologii oznacza, że zasięg badań naukowych jest bardzo szeroki, a ich wyniki mogą znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach działalności człowieka.

Możliwość wytworzenia cząstek w skali nano w różnych materiałach doprowadziła do optymalizacji wielu materiałów i polepszenia ich właściwości fizykochemicznych. Pojawiły się nowe możliwości ich wykorzystania.

Rozwój narzędzi rejestrujących zjawiska w skali nano

Rozwój mikroskopii skaningowej SPM (Scanning Probe Microscopy) i mikrosystemów elektromechanicznych MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) pozwolił już naukowcom na bezpośrednią obserwację atomów i molekuł. Mikroskop tunelowy skaningowy STM (Scannnig Tunneling Microscopy) i mikroskop sił atomowych AFM (Atomic Force Microscopy), chociaż zasadniczo umożliwiają tylko technikę obserwowania, pozwoliły także na pozycyjne zestawienie i uwidocznienie badanych nanocząstek.

Rozpoznawanie pojedynczych molekuł w systemach biologicznych może stanowić cenne narzędzie diagnostyczne jako wczesny sygnał ostrzegawczy o toczących się procesach patologicznych. Np. można sobie wyobrazić sensor wprowadzony do jamy ustnej badający zawartość określonych składników śliny, która jest wydzieliną pod wieloma względami podobną do osocza krwi. Sensor ten mógłby informować o podniesionych wartościach immunoglobulin lub białka reaktywnego C albo innych markerów procesu zapalnego lub nowotworowego, co w efekcie zrewolucjonizowałoby dotychczasowy system profilaktyki zdrowotnej.

Kontrowersyjną jest kwestia badania szkliwa w AFM – jest ono możliwe, ale należałoby pozyskać próbki szkliwa nieuszkodzonego, co w warunkach fizjologicznych jest bardzo trudne. Podczas ekstrakcji zębów ze względów ortodontycznych można uszkodzić szkliwo narzędziami chirurgicznymi, a pozyskiwanie szkliwa do badań od dawców jest etycznie wątpliwe.

Praktyczne zastosowania nanotechnologii w stomatologii

Ostatnio pod lupą laboratoriów badawczych znalazły się także materiały stomatologiczne, w tym kompozyty, materiały wyciskowe i stopy metali. Wspomnę również o nanosrebrze i opowiem czym są trzecie zęby ;)

KOMPOZYTY

We wczesnych latach 90. XX wieku pojawił się nowy kierunek w rozwoju światłoutwardzalnych materiałów kompozytowych z drobnocząsteczkowymi wypełniaczami szklanymi. Materiały te okazały się bardziej odporne na abrazję niż materiały starszej generacji. W tym okresie brytyjska i rma ICI opracowała kompozytowy materiał światłoutwardzalny na bazie uretanu. Jego przydatność kliniczna została szczegółowo oceniona w eksperymentach wieloośrodkowych, a wyniki wykazały, że nadaje się on do wypełnień w zębach w bocznych odcinkach łuku zębowego.

Po lewej: Ząb z licznymi wypełnieniami, wymagającymi wymiany. W środku: Stan po usunięciu próchnicy i materiału. Po prawej: Stan po wypełnieniu metodą wielowarstwową.

Udana strategia marketingowa „kompozytów hybrydowych” znalazła kolejnych następców. Określenie „nanotechnologia” stało się modnym pojęciem w nauce w ostatnich 15 lat, a od 1995 roku stało się obowiązujące w dziedzinie stomatologii.

MASY WYCISKOWE

Nanotechnologię zastosowano ostatnio także przy tworzeniu nowych odmian mas wyciskowych. Zastosowanie tej technologii do produkcji polimerów silikonowych w sposób rewolucyjny zmieniło ich właściwości. Wzrosła ich wytrzymałość na zerwanie, odporność na odkształcenie oraz płynność.

Ta ostatnia cecha umożliwia pobieranie wycisków o bardzo dużej precyzji. Do mas wyciskowych wykorzystujących technikę nano należą m.in. silikony addycyjne, gdzie w paście podstawowej zastosowano nanowypełniacze o średniej wielkości ziarna około 200 nm, zaś w paście katalizującej platynę.

Materiały z tej grupy mogą być wykorzystywane w różnych technikach wyciskowych stosowanych przy wykonywaniu protez stałych i ruchomych. Wysoka hydrofilowość tych mas, a także pamięć materiałowa (>99,5%) i bardzo mała zmienność liniowa wymiarów (<0,2% po 24 godz.) umożliwiają wierne odwzorowanie pola protetycznego, zwłaszcza w przypadku wykonywania wycisków zębów opracowanych pod protezy stałe, gdzie granica szlifowania znajduje się niekiedy w okolicy poddziąsłowej. Wpływanie masy wyciskowej w tę okolicę ma duże znaczenie dla precyzyjnego odwzorowania szczegółów powierzchni zęba i w efekcie ma duży wpływ na uzyskanie dobrej integracji obrzeża protez stałych ze ścianami zęba filarowego.

STOPY METALI

Zastosowanie metod nanotechnologicznych w stopach metali dentystycznych pozwoliło na opracowanie nowych typów stopów, a także zaowocowało nowymi możliwościami pokrywania stopów konwencjonalnych różnymi powłokami, co w konsekwencji pozwoliło na ograniczenie ich korozji w środowisku jamy ustnej, a także umożliwiło wyeliminowanie ewentualnych odczynów alergicznych na niektóre metale zawarte w stopach.

Nanotechnologia w stopach metali dentystycznych zaowocowała powstaniem stopów tytanowo-niklowych z pamięcią kształtu. Stopy te charakteryzują się unikalnymi właściwościami fizykochemicznymi i mechanicznymi. W latach siedemdziesiątych były one początkowo stosowane w technice militarnej, marynarce wojennej i kosmonautyce, zaś od niedawna są one stosowane również w medycynie. Stopy te pomimo dużej zawartości niklu (prawie 50%) charakteryzują się zadziwiającą biotolerancją, co wynika z dużej stabilności atomów Ni i Ti w fazie międzymetalicznej, a także z tworzenia się pasywnej szczelnej warstwy dwutlenku tytanu, która jest bardzo trwała w środowiskach organicznych zawierających tlen, grupy wodorotlenowe, jony chloru i proteiny.

W stomatologii stopy z pamięcią kształtu znalazły zastosowanie w postaci supersprężystych lub aktywowanych cieplnie łuków ortodontycznych w stałych aparatach korekcyjnych.
Ponadto wypróbowano je także w repozycji złamań żuchwy, a także do programowanej dystrakcji odłamów żuchwy przy chirurgicznej korekcie wad gnatycznych.

NANOSREBRO

Od wieków srebro znane jest ze swego działania biobójczego. Już w starożytności wykorzystywano jego naturalne właściwości wspomagające leczenie. Antyczni Grecy, aby zapobiec szerzeniu się chorób, pokrywali srebrem naczynia, których używali do jedzenia i picia. Podczas XIV-wiecznej epidemii dżumy w Europie bogaci rodzice dawali swoim dzieciom do ssania srebrne łyżeczki, jako sposób na zarazę.

W dzisiejszych czasach aparatura medyczna pokrywana farbami z dodatkiem nanosrebra zapewnia trwałą sterylizację powierzchni. Ściany, sufity sal operacyjnych i pokoi zabiegowych zaimpregnowane lub pomalowane farbami z dodatkiem nanosrebra. Podłogi, fugi i wszelkie zakamarki można zaimpregnować tak, aby miały właściwości bakteriobójcze. Mycie podłóg na bieżąco wodą z dodatkiem srebra koloidalnego.

Odzież ochronna i materace zaimpregnowane srebrem koloidalnym posiadają właściwości bakteriobójcze - działanie permanentne. Wypłukiwanie drobin srebra w czasie prania jest znikome. Cząsteczki nanosrebra skutecznie potrafią chronić ranę przed bakteriami z zewnątrz opatrunku, przeciwdziałają rozwojowi bakterii pod opatrunkiem znacznie lepiej niż dotychczasowe rozwiązania. Podobnie strzykawki, rękawiczki, maski poddane działaniu nanosrebra zapewniają 100% sterylności.

TRZECIE ZĘBY ;)

Ponad 20 lat temu inżynier wraz z periodontologiem (lekarzem stomatologiem zajmującym się leczeniem chorób przyzębia) założyli BIOMET 3i. Tak zaczęła się historia amerykańskiej firmy, która zrewolucjonizowała światową implantologię, a efekty jej pracy dostępne są również w Polsce.

Co to oznacza dla zwykłego Kowalskiego, który do tej pory walczył z klejami do protez, na wszelki wypadek nie uśmiechał się zbyt szeroko, zrezygnował z jedzenia surowych owoców i warzyw, a kichając szczelnie zakrywał twarz w obawie przed wypadnięciem protezy? To, że ów Kowalski decydując się na skorzystanie z nowoczesnych implantów tak naprawdę funduje sobie trzecie zęby. I to dosłownie w jeden dzień. 

Dzięki nanotechnologii implant szybko zrasta się z kością i jest bardziej stabilny . Zespolenie implantu z kością odbywa się już na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek. Opatentowana powierzchnia takiego implantu powoduje, że czas gojenia zostaje skrócony nawet do dwóch miesięcy. 

Tytanowe implanty  wszczepiane są chirurgicznie bezpośrednio do kości szczęki przy zastosowaniu znieczulenia miejscowego. – Zabieg ten można wykonać zaraz po usunięciu zęba, a to znaczy, że pacjent nie musi martwić się, że między zabiegami ktoś zauważy braki w jego uzębieniu, co jest mocno niekomfortową sytuacją. Istnieje również możliwość wykorzystania implantów nawet w przypadku konieczności przeszczepu tkanki kostnej lub też wszczepieniu implantu w kość złej jakości. 

Efekt po jakimś czasie rzeczywiście łudząco przypomina naturalne zęby i co najważniejsze z punktu widzenia Kowalskiego – wszystko odbywa się podczas jednej wizyty - stąd nazwa "trzecie zęby"

Problemem przestaje być na przykład kichanie w towarzystwie (proteza nie ma prawa wypaść)  czy kłopoty z trawieniem, gdyż dobrze pogryzione potrawy, w taki sam sposób jak naturalnymi zębami, lepiej się przyswajają. 

Nowoczesne implanty mają jeszcze jedną zasadniczą zaletę – nie powodują zaniku kości, jak ma to miejsce przy stosowaniu tradycyjnych protez. Dzięki temu, profil twarzy nie zapada się, a wygląd pacjenta pozostaje ten sam.

Ogromne zaangażowanie naukowców w zakresie nanotechnologii oraz rosnące wsparcie finansowe rządów wielu państw świata w tej nowej dziedzinie wiedzy pozwalają mieć nadzieję na znaczące osiągnięcia naukowe natury poznawczej, a także praktycznej, w tym także znajdujące zastosowanie w stomatologii.