Cement szklano-jonomerowy

5.4.1 Cementy szklano-jonomerowe

Cementy szklano-jonomerowe (GIC) są szeroko stosowane w stomatologii jako cementy mocujące, cementy bazowe oraz jako materiały wypełniające w niskoobciążonych uzupełnieniach stomatologicznych. Ze względu na biokompatybilność i zdolność do bezpośredniego łączenia się z kością, cementy GIC znalazły ostatnio również zastosowanie w innych dziedzinach medycyny. Zastosowania te obejmują sztuczne małżowiny uszne, płytki kościozastępcze do rekonstrukcji twarzoczaszki oraz chirurgię ortopedyczną jako cement kostny (Gu i in., 2005).

GIC mają naturalną zdolność przylegania do szkliwa i zębiny i mogą być umieszczane w ubytkach zębowych przy minimalnym przygotowaniu i bez konieczności stosowania środka wiążącego. Jak wspomniano wcześniej, są one biokompatybilne i nie ulegają wpływowi wilgoci w takim stopniu, jak materiały na bazie żywicy. Ponadto współczynnik rozszerzalności cieplnej dla GIC jest zbliżony do współczynnika rozszerzalności cieplnej struktury zęba. Pomimo faktu, że są one w kolorze zęba, prezentują gorszą estetykę w porównaniu z najnowocześniejszymi żywicami kompozytowymi, ale ich główną wadą są właściwości mechaniczne, wytrzymałość i ciągliwość. Konwencjonalne GIC powstają w wyniku reakcji kwasowo-zasadowej pomiędzy kwasem poliakrylowym a proszkiem szkła glinokrzemianowego. Chemia i skład szkła bazowego oraz kwasu poliakrylowego wpływa na reakcję wiązania i właściwości GIC. Na przykład, zwiększenie masy cząsteczkowej kwasu poliakrylowego skutkuje poprawą właściwości mechanicznych, ale zmniejsza właściwości użytkowe (Wilson i in., 1989). Również w przypadku zastosowania cząstek szkła wytwarzanych metodą melt-quench uzyskuje się większą wytrzymałość na ściskanie i zginanie dwuosiowe oraz krótszy czas wiązania i pracy w porównaniu z cementami zawierającymi cząstki szkła przetwarzane metodą zol-żel, nawet jeśli cząstki szkła mają ten sam skład i różnią się jedynie drogą przetwarzania (Wren i in., 2009). Lepsze właściwości mechaniczne uzyskuje się poprzez dodanie hydrofilowych monomerów i polimerów, takich jak HEMA do kwasu poliakrylowego, a modyfikowane żywicą szkło-jonomery pojawiły się w handlu. Niektóre z nich są światłoutwardzalne, ale jest to uzupełnienie podstawowej reakcji kwasowo-zasadowej poprzez dodanie fotoinicjatorów i zazwyczaj konieczny jest dodatkowy etap łączenia zębiny i szkliwa (Coutinho et al., 2009). GIC zawierają fluorki. Fluor obniża temperaturę topnienia szkła, obniża współczynnik załamania światła szkła, dając w efekcie optycznie przezierne cementy, a przede wszystkim działa hamująco na rozwój próchnicy. Fluorki są zawarte w szkle glinokrzemianowym (Griffin i Hill, 2000). Według Dhondt i wsp. (2001) oraz Xu i Burgess (2003), podczas wiązania w matrycy cementowej gromadzi się ważny rezerwuar fluorków, a GIC wykazują długotrwałe uwalnianie fluorków, mimo że cement został już związany, i może on być częściowo uzupełniany z produktów fluorkowych.

Oprócz składu chemicznego szkła i kwasu poliakrylowego, powierzchnia kontaktu między tymi składnikami również kontroluje wiązanie i właściwości mechaniczne GIC. Dzięki zastosowaniu nanotechnologii zaproponowano kilka modyfikacji proszku szkło-jonomerowego, głównie w celu poprawy właściwości mechanicznych cementu. Zastąpienie 10% lub 20% mikrogranulowanych cząstek szkła w proszku takim samym procentem szkła nanogranulowanego, mimo że cząstki nanogranulowane są wprowadzane poprzez dalsze mielenie cząstek makrogranulowanych i mają ten sam skład, wpływa na fizyczne i mechaniczne właściwości jonomerów szklanych. Ponieważ nanocząstki szkła wykazują większą reaktywność, czas wiązania cementu ulega skróceniu, a wytrzymałość na ściskanie i moduł Younga wzrastają. Jeśli nanocząstki szklane zawierają fluor, czas wiązania, wytrzymałość na ściskanie i moduł Younga wzrastają jeszcze bardziej, ale uwalnianie fluoru zmniejsza się. Ponadto cementy te wykazują dalszy spadek wytrzymałości na ściskanie w wyniku termocyklingu w porównaniu z cementami z mikrogranulkami cząstek szklanych (De Caluwé i in., 2014).

Badacze sprawdzili również wpływ dodatku innych nanocząstek. Dodatek 3% i 5% w/w nanocząstek TiO2 poprawił odporność na pękanie, wytrzymałość na zginanie i wytrzymałość na ściskanie, ale spadek właściwości mechanicznych stwierdzono w przypadku jonomerów szklanych zawierających 7% TiO2. Dodatek 5% i 7% w/w nanocząstek TiO2 pogorszył mikrotwardość powierzchni. Czas wiązania, siła wiązania i uwalnianie fluorków nie uległy pogorszeniu. Również aktywność antybakteryjna była lepsza. Autorzy przypuszczają, że nanocząstki, ze względu na swój mały rozmiar, wypełniają puste przestrzenie pomiędzy dużymi cząstkami i działają jako dodatkowe miejsca wiążące dla polimeru poliakrylowego, wzmacniając w ten sposób materiał szkło-jonomerowy. W przypadku nadmiernego zwiększenia udziału procentowego nanocząstek może zabraknąć kwasu poliakrylowego do efektywnego związania się ze zwiększoną ilością nanocząstek TiO2 i tym samym osłabić wiązanie międzyfazowe pomiędzy cząstkami a matrycą jonomerową (Elsaka i in., 2011). Cząstki nanoboceramiczne w ilości 5% w/w mogą być włączone do komercyjnego proszku jonomeru szklanego. Cementy z dodatkiem nanohydroksyapatytu i fluoroapatytu wykazywały większą wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie w płaszczyźnie diametralnej, wytrzymałość na zginanie dwuosiowe oraz większą siłę wiązania z zębiną po 7 i 30 dniach przechowywania w wodzie destylowanej. Odporność na demineralizację jest lepsza, ale czas wiązania jest nadmiernie wydłużony (Moshaverinia et al., 2008). Wytrzymałość wiązania jest również lepsza dzięki dodatkowi 10% nanohydroksyapatytu (Lee et al., 2010). Zbadano również dodatek nanokrystalicznego hydroksyapatytu ubogiego w wapń. Zwiększając udział nanocząstek (5, 10 i 15% mas.) zaobserwowano wzrost wytrzymałości na ściskanie, procentowego uwalniania jonów, ubytku masy oraz spadek mikrotwardości powierzchni. Otrzymany cement wykazuje ulepszone właściwości do zastosowań ortopedycznych i ortodontycznych (Goenka et al., 2012). Bioglass jest również włączany do GIC, ale do tej pory stosowano mikrocząstki bioglassu.

Nanotechnologia ma na celu wytworzenie i zastosowanie syntetycznych nanomerycznych i nanoklastrowych modyfikowanych powierzchniowo nanocząstek cyrkonu i krzemionki. Należy wspomnieć, że nanocząstki stosowane w żywicach kompozytowych są z natury niekompatybilne w roztworze wodnym i powodują powstawanie wizualnie nieprzezroczystych preparatów. Konieczne jest inne traktowanie nanocząstek mieszaniną silanów, które pomagają utrzymać optymalną równowagę hydrofilowo-hydrofobową (Falsafi i in., 2014). Częściowe zastąpienie cząstek szkła fluoroaluminokrzemianowego wypełniaczami szklanymi modyfikowanymi powierzchniowo poprawiło polerowanie (Bala i in., 2012), odporność na ścieranie, uwalnianie fluorków i zachowanie podczas ładowania żywicznych GIC (Mitra i in., 2011). Z drugiej strony, inni badacze potwierdzają, że skumulowane uwalnianie fluorków w przypadku GIC modyfikowanych nanożywicą było mniejsze w porównaniu do GIC konwencjonalnych i modyfikowanych żywicą, które były bardzo podobne do siebie, a nanojonomer wykazuje mniejsze, ale stałe, uwalnianie fluorków (Upadhyay i in., 2013). Nanożywiczny GIC, podobnie jak konwencjonalny cement szklany, oddziałuje z zębiną i szkliwem w sposób bardzo powierzchowny, bez dowodów demineralizacji i/lub hybrydyzacji. Oddziaływanie mikromechaniczne jest ograniczone, a główną rolę odgrywa interakcja chemiczna (Coutinho et al., 2009). Hydroksyapatyt zęba oddziałuje z polikarboksylanowym kwasem metakrylowym cementu tworząc wiązanie jonowe (Falsafi i in., 2014). Niestety, siła wiązania nanojonomeru z zębiną i szkliwem, choć efektywna, jest mniejsza w porównaniu do wiązania GIC modyfikowanego żywicą (Coutinho i in., 2009). Również właściwości mechaniczne materiałów nanojonomerowych ulegają degradacji z czasem, gdy są one zanurzone w roztworach (Moreau i Xu, 2010), a nanonapełniacze nie poprawiły odporności na degradację nanojonomerów (de Paula i in., 2014).

Pomimo że GIC posiadają w pewnym stopniu właściwości przeciwdrobnoustrojowe (Herrera i in., 1999; Magalhães i in., 2012), antybakteryjne nanocząstki są również włączane w celu zwiększenia działania przeciwbakteryjnego. Antybakteryjne nanocząstki składające się z heksametafosforanu chlorheksydyny w kilku procentach zostały włączone do komercyjnego GIC. Dzięki nanocząsteczkom uwalnianie chlorheksydyny było stopniowe i trwało przez co najmniej 33 dni. Okres ten jest dłuższy niż w przypadku innych form chlorheksydyny, takich jak diacetat chlorheksydyny, które były stosowane w przeszłości. Uwalnianie fluorków nie uległo znacznemu pogorszeniu, natomiast wytrzymałość na rozciąganie diametralne zmniejszyła się, ale nie w sposób statystycznie istotny. Dlatego zastąpienie proszku szklanego, do 20% nanocząstkami chlorheksydyny, jest odpowiednie i korzystne do zastosowania klinicznego (Hook et al., 2014). Dodatek nanocząstek QA-PEI, włączony w niskim stężeniu (1% w/w), wykazuje silne działanie przeciwbakteryjne, które utrzymuje się przez co najmniej 1 miesiąc. Fakt, że nie ma strefy zahamowania w teście dyfuzji agarowej, chociaż test bezpośredniego kontaktu wykazuje zahamowanie bakterii, wskazuje, że nanocząstki są ustabilizowane w matrycy cementowej i nie dochodzi do wymywania nanocząstek (Beyth et al., 2012). Vitrebond wykazał zwiększoną aktywność bakteriobójczą dzięki wbudowaniu nanocząstek srebra (Magalhães et al., 2012).