Lasi-ionomeerisementit

5.4.1 Lasi-ionomeerisementit

Lasi-ionomeerisementtejä (GIC-sementit) käytetään laajalti hammaslääketieteessä kiinnityssementteinä, perussementteinä ja täytemateriaaleina hammaslääketieteellisissä matalaa kuormitusta vaativissa restauraatioissa. Viime aikoina GIC-muoveja on ehdotettu käytettäväksi myös muilla lääketieteen aloilla, koska ne ovat bioyhteensopivia ja pystyvät sitoutumaan suoraan luuhun. Tällaisia käyttökohteita ovat mm. keinotekoiset korvakappaleet, luun korvaavat levyt kraniofakiaalisessa rekonstruktiossa ja ortopedisessä kirurgiassa luusementtinä (Gu et al., 2005).

GIC:llä on luontainen kyky kiinnittyä kiilteeseen ja dentiiniin, ja se voidaan sijoittaa hammasonteloihin minimaalisella preparoinnilla ja ilman sidosainetta. Kuten aiemmin mainittiin, ne ovat bioyhteensopivia, eikä kosteus vaikuta niihin yhtä paljon kuin hartsipohjaisiin materiaaleihin. Lisäksi GIC:n lämpölaajenemiskerroin on lähellä hammasrakenteen lämpölaajenemiskerrointa. Huolimatta siitä, että ne ovat hampaanvärisiä, niiden esteettinen laatu on huonompi kuin nykyaikaisimpien komposiittihartsien, mutta niiden suurin haittapuoli on niiden mekaaniset ominaisuudet, lujuus ja sitkeys. Perinteiset GIC-muovit kovettuvat polyakryylihapon ja aluminosilikaattilasipulverin välisessä happo-emäsreaktiossa. Sekä emäksisen lasin että polyakryylihapon kemia ja koostumus vaikuttavat kovettumisreaktioon ja GIC:n ominaisuuksiin. Esimerkiksi polyakryylihapon molekyylipainon kasvattaminen parantaa mekaanisia ominaisuuksia, mutta heikentää käsittelyominaisuuksia (Wilson et al., 1989). Myös silloin, kun käytetään sulattamalla tuotettuja lasihiukkasia, saavutetaan korkeammat lujuudet puristuksessa ja kaksiakselisessa taivutuksessa sekä lyhyemmät kovettumis- ja työstöajat verrattuna sol-gel-reitillä käsiteltyjä lasihiukkasia sisältäviin sementteihin, vaikka lasihiukkaset olisivat koostumukseltaan samanlaisia ja eroaisivat toisistaan vain käsittelyreitin suhteen (Wren et al., 2009). Paremmat mekaaniset ominaisuudet saavutetaan lisäämällä hydrofiilisiä monomeerejä ja polymeerejä, kuten HEMA:ta, polyakryylihappoon ja hartsimodifioituihin lasi-ionomeereihin, jotka ovat tulleet kaupalliseen käyttöön. Jotkin niistä kovetetaan valolla, mutta tämä täydentää happo-emäsreaktiota lisäämällä valoinitiaattoreita, ja yleensä tarvitaan ylimääräinen vaihe, jossa dentiini ja kiille kiinnittyvät toisiinsa (Coutinho et al., 2009). GIC:t sisältävät fluoria. Fluoridi laskee lasin sulamislämpötilaa, alentaa lasin taitekerrointa, jolloin syntyy optisesti läpikuultavia sementtejä, ja ennen kaikkea sillä on kariesta estävä vaikutus. Fluoridi sisältyy aluminosilikaattilasiin (Griffin ja Hill, 2000). Dhondtin ym. (2001) ja Xun ja Burgessin (2003) mukaan sementtimatriisiin muodostuu kovettumisen aikana merkittävä fluoridivarasto, ja GIC-sementeistä vapautuu fluoridia pitkällä aikavälillä, vaikka sementti on kovettunut, ja se voidaan osittain täyttää fluoridituotteista.

Lasin ja polyakryylihapon kemiallisen koostumuksen lisäksi näiden komponenttien välinen kontaktipinta-ala kontrolloi myös GIC:n kovettumista ja mekaanisia ominaisuuksia. Nanoteknologian avulla lasi-ionomeerijauheeseen on ehdotettu useita modifikaatioita, joiden tarkoituksena on useimmiten parantaa sementin mekaanisia ominaisuuksia. Se, että 10 tai 20 prosenttia jauheen mikrorakeisista lasihiukkasista korvataan samalla prosenttimäärällä nanorakeista lasia, vaikka nanorakeiset hiukkaset ovat peräisin makrorakeisten hiukkasten lisähionnasta ja niiden koostumus on sama, vaikuttaa lasi-ionomeerien fysikaalisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Kun lasin nanohiukkasilla on suurempi reaktiivisuus, sementin kovettumisaika lyhenee ja puristuslujuus ja Youngin moduuli kasvavat. Jos lasinanopartikkelit sisältävät fluoria, kovettumisaika, puristuslujuus ja Youngin moduuli kasvavat entisestään, mutta fluoridin vapautuminen vähenee. Lisäksi näiden sementtien puristuslujuus laskee edelleen lämpökierrolla verrattuna mikrorakeisiin lasihiukkassementteihin (De Caluwé et al., 2014).

Tutkijat testasivat myös muiden nanohiukkasten lisäämisen vaikutusta. TiO2-nanohiukkasten lisääminen 3 % ja 5 % w/w paransi murtumissitkeyttä, taivutuslujuutta ja puristuslujuutta, mutta 7 % TiO2:ta sisältävillä lasi-ionomeereilla havaittiin mekaanisten ominaisuuksien heikkenemistä. Pinnan mikrokovuus heikkeni, kun siihen lisättiin 5 ja 7 painoprosenttia TiO2-nanohiukkasia. Kovettumisaika, sidoslujuus ja fluoridin vapautuminen eivät heikentyneet. Myös antibakteerinen aktiivisuus oli parempi. Kirjoittajat olettavat, että nanohiukkaset täyttävät pienen kokonsa vuoksi suurten hiukkasten väliset tyhjät tilat ja toimivat ylimääräisinä sidospaikkoina polyakryylipolymeerille, mikä vahvistaa lasi-ionomeerimateriaalia. Kun nanohiukkasten prosenttiosuutta kasvatetaan liikaa, polyakryylihappo ei välttämättä riitä sitoutumaan tehokkaasti lisääntyneeseen TiO2-nanohiukkasten määrään, jolloin hiukkasten ja ionomeerimatriisin välinen rajapintasidos heikkenee (Elsaka et al., 2011). Nanobiokeraamisia hiukkasia voidaan sisällyttää kaupalliseen lasi-ionomeerijauheeseen 5 % w/w-prosenttisesti. Nanohydroksiapatiittiin ja fluoroapatiittiin lisätyillä sementeillä oli korkeampi puristuslujuus, läpimittainen vetolujuus, biaksiaalinen taivutuslujuus ja korkeampi sidoslujuus dentiiniin 7 ja 30 päivän säilytyksen jälkeen tislatussa vedessä. Demineralisaatiokestävyyden viitataan olevan parempi, mutta kovettumisaika on ylipitkä (Moshaverinia et al., 2008). Myös sidoslujuus on parempi lisäämällä 10 % nanohydroksiapatiittia (Lee et al., 2010). Nanokiteisen kalsiumpuutteisen hydroksiapatiitin lisäystä tutkittiin myös. Lisäämällä nanohiukkasprosenttia (5, 10 ja 15 painoprosenttia) havaittiin puristuslujuuden, ionien vapautumisprosentin, painohäviön lisääntyminen ja pinnan mikrokovuuden väheneminen. Tuloksena saatu sementti osoittaa parempia ominaisuuksia ortopedisiin ja ortodonttisiin sovelluksiin (Goenka et al., 2012). Myös biolasia sisällytetään GIC:hen, mutta tähän asti on käytetty biolasin mikrohiukkasia.

Nanoteknologian tavoitteena on synteettisten nanomeraalisten ja nanoklustereiden pintamodifioitujen zirkoniasta ja piidioksidista koostuvien nanohiukkasten valmistus ja käyttö. On tärkeää mainita, että komposiittihartseissa käytettävät nanohiukkaset ovat luonnostaan yhteensopimattomia vesiliuoksessa ja aiheuttavat visuaalisesti läpinäkymättömiä koostumuksia. Nanopartikkelien erilainen käsittely silaaniseoksella, joka auttaa säilyttämään optimaalisen hydrofiilisen/hydrofobisen tasapainon, on tarpeen (Falsafi et al., 2014). Fluoroalumiinisilikaattilasihiukkasten osittainen korvaaminen pintamodifioiduilla lasitäyteaineilla paransi kiillotusta (Bala et al., 2012), hankauskestävyyttä, fluorin vapautumista ja hartsi-GIC:ien uudelleenlatauskäyttäytymistä (Mitra et al., 2011). Toisaalta toiset tutkijat tukevat sitä, että nanotäytteisen hartsimodifioidun GIC:n kumulatiivinen fluoridin vapautuminen oli vähäisempää verrattuna tavanomaisiin ja hartsimodifioituihin GIC:iin, jotka olivat hyvin samankaltaisia keskenään, ja että nanoionomeerillä on vähäisempi, mutta tasainen fluoridin vapautuminen (Upadhyay et al., 2013). Nanohartsinen GIC, kuten tavanomainen lasisementti, vuorovaikuttaa dentiinin ja kiilteen kanssa hyvin pinnallisesti ilman merkkejä demineralisaatiosta ja/tai hybridisaatiosta. Mikromekaaninen yhteenkietoutuminen on vähäistä ja kemiallisella vuorovaikutuksella on päärooli (Coutinho et al., 2009). Hampaan hydroksiapatiitti on vuorovaikutuksessa sementin metakrylaattipolykarboksyylihapon kanssa muodostaen ionisidoksen (Falsafi et al., 2014). Valitettavasti nanoionomeerin sidoslujuus dentiinin ja kiilteen kanssa, vaikka se onkin tehokas, on heikompi verrattuna sidoshartsilla modifioituun GIC:hen (Coutinho et al., 2009). Lisäksi nanoionomeerimateriaalien mekaaniset ominaisuudet heikkenevät ajan myötä, kun ne upotetaan liuoksiin (Moreau ja Xu, 2010), eivätkä nanotäyteaineet parantaneet nanoionomeerin hajoamiskestävyyttä (de Paula et al., 2014).

Vaikka GIC-materiaaleilla on jossain määrin antimikrobisia ominaisuuksia (Herrera et al., 1999; Magalhães et al., 2012), niihin sisällytetään antibakteerisia nanohiukkasia antibakteerisen vaikutuksen parantamiseksi. Antimikrobisia nanohiukkasia, jotka koostuvat klooriheksidiiniheksametafosfaatista useina prosenttiosuuksina, sisällytettiin kaupalliseen GIC-valmisteeseen. Nanohiukkasten ansiosta klooriheksidiinin vapautuminen oli asteittaista ja kesti vähintään 33 päivää. Tämä aika on pidempi kuin aiemmin käytetyt muut klooriheksidiinin muodot, kuten klooriheksidiinidiasetaatti. Fluoridin vapautumiseen ei ollut merkittävää vaikutusta, mutta halkaisijan vetolujuus laski, mutta ei tilastollisesti merkitsevästi. Siksi lasijauheen korvaaminen enintään 20 %:lla klooriheksidiinin nanohiukkasista on sopivaa ja hyödyllistä kliinisessä käytössä (Hook ym., 2014). QA-PEI-nanohiukkasten lisääminen, joka on sisällytetty pienenä pitoisuutena (1 % w/w), osoittaa voimakasta antibakteerista vaikutusta, joka kestää vähintään yhden kuukauden ajan. Se, että agardiffuusiotestissä ei ole inhibitiovyöhykettä, vaikka suorassa kontaktitestissä bakteerien inhibitio näkyy, osoittaa, että nanohiukkaset stabiloituvat sementtimatriisiin eikä nanohiukkasia huuhtoutu (Beyth et al., 2012). Vitrebond osoitti parantunutta bakterisidistä aktiivisuutta hopean nanohiukkasten sisällyttämisellä (Magalhães et al., 2012).