Bone Growth

9.6 Periodontal Applications of Bioactive Glasses

Struktury podtrzymujące zęby są złożone. Obejmują one tkanki twarde w postaci kości trabekularnej i korowej, a także tkanki miękkie, takie jak szpik kostny i więzadło przyzębia (Abbasi i in., 2015). Jak widzieliśmy, choroba przyzębia wpływa na wszystkie te tkanki, a leczenie obejmowało różne podejścia, z których zastosowanie granulowanego szkła bioaktywnego okazało się szczególnie skuteczne.

Utrata kości z obszaru wyrostka zębodołowego jest uważana za definiujący wynik choroby przyzębia i wynika z progresji choroby przyzębia w wyniku infekcji bakteryjnej. Uszkodzeniu ulegają również inne tkanki przyzębia, ale to właśnie zniszczenie kości jest najpoważniejsze. Dzieje się tak dlatego, że to właśnie utrata kości prowadzi do rozchwiania i ostatecznej utraty zębów (Papapanou i Tonetti, 2000). Wynik takiej oceny jest wykorzystywany do pomocy w diagnozie stanu chorobowego oraz w planowaniu leczenia mającego na celu naprawę szkód wyrządzonych przez chorobę (Papapanou i Tonetti, 2000). Augmentacja kości za pomocą szkła bioaktywnego jest szeroko stosowana, ponieważ materiał ten jest w stanie wywołać specyficzne reakcje w pozostałych zdrowych komórkach przyzębia. W szczególności promuje on osteogenezę, stymulując w ten sposób szybkie tworzenie się nowej kości (Lovelace i in., 1998). Może również działać jako bariera dla komórek nabłonkowych, zapobiegając ich wzrostowi w dół, a tym samym kierując wzrost tkanki w prawidłowej orientacji biologicznej. Wysokie pH, które wytwarza w otaczających go płynach, zapewnia środowisko antybakteryjne, które zostało wykazane in vivo (Allan et al., 2001).

Cząstki szkła bioaktywnego stymulują pełny rozwój kości, a nie tylko odkładanie fazy mineralnej. Użycie porowatych cząstek szkła bioaktywnego zapewnia przestrzeń, w której unaczynienie może zachodzić w optymalnym stopniu. Cząstki te są również łatwe do manipulowania w warunkach klinicznych i mają działanie hemostatyczne, czyli zatrzymują krwawienie. Pozwala to na zachowanie czystego obszaru roboczego dla klinicysty, a także zwiększa łatwość użycia (Schepers et al., 1998).

Szkło bioaktywne okazało się bardzo skuteczne w leczeniu uszkodzeń spowodowanych przez choroby przyzębia. W skutecznym leczeniu tej choroby poszukuje się trzech efektów klinicznych, a mianowicie zmniejszenia głębokości kieszonek, zwiększenia klinicznego przylegania tkanki dziąsłowej do kości podporowej oraz poprawy ilości i jakości kości wyrostka zębodołowego przylegającego do zębodołu. Wykazano, że szkło bioaktywne zapewnia wszystkie te trzy cechy (Lovelace i in., 1998; Froum i in., 1998; Ong i in., 1998).

Na przestrzeni lat opublikowano szereg badań klinicznych, w których wykazano, w jaki sposób szkło bioaktywne, zwykle PerioGlas, zapewnia wszystkie trzy z tych pożądanych efektów (Ioannou i in., 2015). Na przykład, w typowym badaniu, Nevins i wsp. (2000) opisali leczenie ubytków wewnątrzkostnych wokół pięciu zębów leczonych szkłem bioaktywnym. Określili oni odpowiedź na implantację tego materiału za pomocą klinicznych pomiarów radiograficznych. Sześć miesięcy po leczeniu, głębokość sondowania kieszonek przyzębnych zmniejszyła się średnio o 2,7 mm. W tym samym czasie przyczepność dziąsła do kości wyrostka zębodołowego wokół panewki zwiększyła się średnio o 2,2 mm. Dalsze badania histologiczne wykazały, że w jednym przypadku w okolicy implantu powstało nowe cementum i nowa tkanka łączna (Nevins i in., 2000). W pozostałych czterech przypadkach gojenie polegało na łączeniu kości i tworzeniu się nowego nabłonka łącznotkankowego. Typ naprawy badany w tym badaniu dotyczył małych ubytków infrabonalnych, a szkło bioaktywne uznano za szczególnie odpowiednie do stosowania w zmianach tego typu (Sohrabi i in., 2012).

Tego typu zmniejszenie głębokości kieszonki w ciągu kilku miesięcy zostało szeroko potwierdzone (Chacko i in., 2014; Zamet i in., 1997; Park i in., 1998; Froum i in., 1998). Jednocześnie zwykle odnotowuje się znaczny wzrost klinicznego przyczepu tkanki dziąsłowej. Stwierdzono jednak, że ten ostatni jest nieco zmienny i może wahać się od minimalnego, który prawdopodobnie nie jest istotny statystycznie (Chacko i wsp., 2014; Froum i wsp., 1998) do bardzo znacznego (Zamet i wsp., 1997). Różnice te mogą być związane ze stopniem zaawansowania choroby w momencie leczenia, a w przypadkach, gdy choroba jest bardziej zaawansowana i odwarstwienie dziąseł większe, naprawa w miejscu leczenia może postępować szybciej niż w miejscach o mniejszym odwarstwieniu i odpowiednio mniej zaawansowanym stanie choroby (Chacko i in., 2014).

Idealnie, leczenie periodontologiczne powinno skutkować regeneracją kości i wypełnieniem obserwowanych ubytków nową kością. Zostało to szeroko zaobserwowane w przypadku bioaktywnych granulek szklanych, takich jak PerioGlas (Ong i in., 1998; Chacko i in., 2014; Froum i in., 1998).

Istnieją inne korzyści wynikające z zastosowania PerioGlas w ten sposób. Materiał ten jest dobrze tolerowany przez organizm i wykazuje wyjątkową biozgodność z kością grzbietu wyrostka zębodołowego. Nie odnotowano żadnych niepożądanych efektów klinicznych (Chacko et al., 2014). Co więcej, gojenie pooperacyjne jest szybkie i prowadzi do wysoce satysfakcjonujących wyników klinicznych (Ong i in., 1998; Chacko i in., 2014; Turunen i in., 1997; Karatzas i in., 1999). Systematyczne przeglądy literatury potwierdzają, że bioaktywne cząstki szkła dają najlepsze wyniki kliniczne w leczeniu chorób przyzębia (Ioannou i wsp., 2015; Sohrabi i wsp., 2012; Rai i Kalantharakath, 2014), oraz że niezawodnie zmniejszają głębokość sondowania kieszonek przyzębnych i zwiększają kliniczny poziom przyczepności tkanek dziąsłowych.

An alternative method of presentation of bioactive glass for periodontal treatment is as a putty (Grover et al., 2013). Nazwa handlowa tego materiału to NovaBone Putty (patrz Ryc. 9.1) i składa się on z granulek bioaktywnego szkła wstępnie wymieszanych ze spoiwem składającym się z glikolu polietylenowego i gliceryny. Mieszanka ta nie wymaga żadnego przygotowania przed umieszczeniem bezpośrednio w miejscu ubytku kości. Nie ulega on żadnemu procesowi twardnienia, chociaż spoiwo może ulec resorpcji, pozostawiając bioaktywne cząsteczki szkła. Materiał ten został dopuszczony do użytku klinicznego w Stanach Zjednoczonych w 2006 r. i w Europie w 2007 r. i ma wiele zalet jako sposób prezentacji szkła bioaktywnego w porównaniu z prostym użyciem niezmielonych granulek szklanych.

Ostateczny cel zastosowania kitu ze szkła bioaktywnego jest taki sam, jak w przypadku użycia materiału z cząstkami szkła, a mianowicie odtworzenie struktur przyzębia utraconych w wyniku choroby (Villar i Cochran, 2010), albo w celu augmentacji grzbietu wyrostka zębodołowego, aby otrzymać implanty, albo w celu leczenia ubytków spowodowanych chorobą przyzębia. Ma on tę przewagę nad cząsteczkowym szkłem bioaktywnym, że jest łatwiejszy do wciśnięcia na miejsce i bardziej prawdopodobne jest, że pozostanie na swoim miejscu, ze względu na lepkość spoiwa.

Występowanie dotkniętych zapaleniem przyzębia furkacji w zębach wielokorzeniowych i ich leczenie jest bardzo ważnym problemem w periodontologii klinicznej (Muller i Eger, 1999; Karring i Cortinelli, 1999). Jak widać, w wyniku infekcji, a następnie stanu zapalnego, prowadzącego do resorpcji kości, w okolicy tych bruzd powstają ubytki. Takie defekty mogą prowadzić do utraty zęba, a wyniki badań klinicznych wykazały, że taka utrata zęba jest częstsza w zębach z defektami furkacji niż w podobnych zębach bez defektów furkacji i związanej z nimi utraty kości (El-Haddad i in., 2014).

Klinicznie, leczenie tych defektów furkacji ma na celu regenerację tkanek w tych miejscach. Taka regeneracja może być osiągnięta różnymi metodami, w tym przeszczepami kostnymi oraz zastosowaniem szkieł bioaktywnych w szerszym podejściu inżynierii tkankowej (Anderegg i in., 1999). Zastosowanie szkieł bioaktywnych wynika z ich zdolności do promowania osteogenezy i cementogenezy, a także z ich potencjału do stymulowania tworzenia funkcjonalnego więzadła przyzębia (Nasr i in., 1999).

Badania wykazały, że szkło bioaktywne jest łatwe do umieszczenia i pozostaje na miejscu w ubytku furkacji nawet przy odsysaniu przylegającym do tego miejsca (El-Haddad i in., 2014). Wynika to z jego zdolności do tworzenia spoistej masy z solą fizjologiczną, a nawet krwią. Masa ta nie wypływa, nawet w czasie, przez który trwa krwawienie. Ponieważ szkło bioaktywne jest hemostatyczne, szybko tworzy skrzep krwi w miejscu ubytku furkacji i to właśnie tam rozpoczyna się ogólny proces gojenia (El-Haddad i in., 2014).

W jednym z badań nad leczeniem ubytków furkacji za pomocą cząsteczek szkła bioaktywnego, badania kontrolne po dziesięciu dniach od zabiegu wykazały, że cząsteczki szkła pozostały na swoim miejscu (El-Haddad i in., 2014). W przypadku większości pacjentów leżące nad nimi płaty śluzówkowo-okostnowe były zdrowe, a całe miejsce zaczęło się dobrze goić. Wskaźnik powodzenia wynosił 94%, a stosunkowo rzadkie niepowodzenia były wszystkie związane z infekcją i stanem zapalnym. Wyniki te przypisywano złej higienie jamy ustnej u zainteresowanych pacjentów, w połączeniu z brakiem utrzymania właściwych warunków gojenia (El-Haddad et al., 2014). Pokazuje to, że te procedury wykorzystujące szkło bioaktywne w znacznym stopniu zależą od przestrzegania zasad przez pacjentów, co jest cechą, którą należy uwzględnić przy wyborze pacjentów do tego konkretnego leczenia.

W większości przypadków zastosowanie szkła bioaktywnego zakończyło się sukcesem, a wyniki wykazały, że leżące nad nim tkanki dziąsłowe dobrze tolerowały obecność cząstek szkła. Tkanka miękka na ogół goiła się dobrze, co skutkowało stabilnymi ranami i doskonałą regeneracją miejscowych struktur przyzębia (El-Haddad i in., 2014).

Innym ważnym zastosowaniem szkła bioaktywnego jest powlekanie implantów stosowanych w stomatologii (Lopez-Estebana et al., 2003). Implanty są zazwyczaj wykonane ze stopu Ti-6Al-4V i są wykorzystywane do podtrzymywania koron ceramicznych lub grupy głównie ceramicznych zębów protetycznych. W tym podejściu do leczenia stomatologicznego niezwykle ważne jest, aby pacjenci mieli wysoki standard higieny jamy ustnej i byli osobami niepalącymi. Pacjenci muszą dokładnie przestrzegać zaleceń klinicznych po wszczepieniu implantów ze względu na długi czas gojenia potrzebny do pełnej integracji implantu. Wynosi on zazwyczaj od 3 do 6 miesięcy zarówno w przypadku szczęki, jak i żuchwy (Wennerberg i wsp., 2013).

Ważnym aktualnym trendem w implantologii stomatologicznej jest modyfikacja powierzchni stopów tytanu w celu poprawy ich osseointegracji. Obejmuje to metody zwiększania całkowitej powierzchni implantu poprzez procesy takie jak piaskowanie i wytrawianie kwasem, jak również pokrywanie powierzchni materiałem bioaktywnym.

Syntetyczny hydroksyapatyt był stosowany do takich powłok, ale wskaźniki sukcesu z nimi były niższe niż oczekiwano (Xuereb i in., 2015; Ong i Chan, 2000). Niepowodzenia hydroksyapatytu związane są z tworzeniem się szczeliny w strefie międzyfazowej pomiędzy implantem a naturalną kością (Albrektsson, 1998). Szczelina ta powstaje w wyniku utraty kości wynikającej z utraty integralności powłok wraz z upływem czasu, co powoduje lokalne stężenia jonów mineralizujących, które nie sprzyjają naprawie kości. W związku z tym pomiędzy implantem a zdrową kością pojawia się szczelina.

Szkło bioaktywne zostało również wykorzystane w ten sposób do pokrywania metalowych implantów dentystycznych (Moritz et al., 2004). Posiada ono zalety biologiczne, które wcześniej omówiliśmy, a mianowicie wysoki stopień bioaktywności, który prowadzi do tworzenia silnego wiązania chemicznego z żywą kością (Xuereb i in., 2015). Jego bioaktywność jest taka, że powoduje wzrost kości w obszarze międzyfazowym szybciej niż hydroksyapatyt, bez problemów związanych z resorpcją kości. W rezultacie implant szybko się stabilizuje, a kość, która się tworzy, jest silnie przytwierdzona do powierzchni implantu metalowego.

Są problemy związane ze szklistą naturą szkła bioaktywnego, w szczególności to, że na granicy powłoka-implant powstają naprężenia spowodowane różnicami we właściwościach termicznych szkła i podłoża ze stopu tytanu (Vitale-Brovarone, 2005). Powoduje to, że powłoki szklane są podatne na pękanie i odspajanie (Carrado, 2010), chyba że warunki wytwarzania są starannie dobrane (Xuereb et al., 2015). Skład można zmienić, aby zmienić właściwości szkła w zakresie rozszerzalności cieplnej, a konkretnie stosując MgO w miejsce CaO i K2O w miejsce Na2O. Daje to szkło o współczynniku rozszerzalności cieplnej, który bardziej odpowiada współczynnikowi rozszerzalności cieplnej stopu podłoża (Verne, 2012).

Cały temat wytwarzania szkła i stosowania go w odpowiednich grubościach na implanty stomatologiczne jest skomplikowany i w ostatnich latach poświęcono mu sporo uwagi (Xuereb et al., 2015; Vitale-Brovarone, 2005; Verne, 2012; Mistry et al., 2011). Badania na zwierzętach wykazały, że takie implanty dobrze sprawdzają się w żywej kości. Implanty stają się silnie zintegrowane z kością gospodarza bez oznak tworzenia się włóknistej kapsułki i z gęstością kości na znacznie wyższym poziomie niż w przypadku niepowlekanych implantów kontrolnych (Moritz i in., 2004; Wheeler i in., 2001).

Krytycznym problemem związanym z implantami stomatologicznymi jest to, że muszą one penetrować tkanki miękkie, a po odsłoniętej części rezydują w środowisku zawierającym liczne mikroorganizmy (Hill i Brauer, 2011). W związku z tym istnieje możliwość rozwoju zakażeń w miejscu penetracji. W przypadku, gdy tkanki miękkie zrastają się tworząc zdrowe strefy przylegające do powstającego implantu, tworzy się połączenie, które zostało opisane jako uszczelnienie biologiczne (Marchetti i in., 2002). Uszczelnienie to izoluje kość od jamy ustnej i znacznie zwiększa szanse powodzenia implantu. Szkło bioaktywne jest aktywne wobec potencjalnie zakaźnych bakterii (Allan et al., 2001), co stanowi dodatkową zaletę tego materiału jako powłoki dla powierzchni implantów.

W świetle skuteczności, z jaką szkło bioaktywne promuje regenerację, istnieje potencjał wykorzystania go do zapewnienia wsparcia dla implantów metalowych u pacjentów, którzy utracili zęby z powodu ciężkiego zapalenia przyzębia. Jak wspomniano przy opisie zastosowania powłok ze szkła bioaktywnego, nie jest to proste, ponieważ zapalenie przyzębia jest związane z niską higieną jamy ustnej, a także prawdopodobnie z paleniem tytoniu przez pacjentów. Większość klinicystów uważa, że stosowanie implantów u takich pacjentów jest przeciwwskazane (Lekolm et al., 1999).

Jednakże, pomimo tych obaw, szkło bioaktywne było stosowane w ten sposób i to z dość pomyślnymi wynikami (Gatti et al., 2006). W jednym z badań trzech pacjentów otrzymało granulowane szkło bioaktywne PerioGlas do leczenia miejsc ekstrakcji przed wszczepieniem implantu dentystycznego ze stopu tytanu. Celem było wytworzenie nowej kości, która byłaby w stanie zapewnić solidne wczesne umocowanie implantu. Cel ten został osiągnięty, a po 6 miesiącach wykonano biopsję kości, która wykazała pomyślne uformowanie się nowej kości. Ponadto granulki szklane uległy znacznej degradacji. W czasie 2-letniej obserwacji wszystkie implanty zostały pomyślnie obciążone i były stabilne, co wskazuje, że naprawa została wykonana w sposób zadowalający (Gatti et al., 2006). Sukces kliniczny w tak mało obiecujących okolicznościach jest kolejnym dowodem na niezwykłą aktywność biologiczną tego typu materiału szklanego.