Реминерализация эмали зубов и биомиметика
Джиабаттиста Растрелли, Франческо Растрелли, Гульельмо Бифулькo, Kalichem Srl
С проявлением повышенного внимания к здоровью зубов, активные ингредиенты, используемые в средствах по уходу за полостью рта, значительно изменились за последние десять лет. Традиционными активными веществами являются фториды1, но сегодня применяют реминерализаторы на основе гидроксиапатита (ГАП), 2,3 и его производных, физиологически обнаруженные в эмали и дентине.
В данной статье описывается использование биомиметических материалов на основе ГАП и его производных, продающихся компанией Kalichem srl под торговой маркой Kalident. В основе реминерализации зубов лежит две стратегии: к первой относится применение активных веществ на основе фторидов, а ко второй - на основе источников ионов кальция и фосфатов.4 В обоих случаях цель - содействие образованию физиологического ГАП и фторгидроксиапатита (F-HAP) в естественных условиях (In-vivo).
Зуб состоит из богатой и постоянно меняющейся минеральной фазы, характеризующейся наличием ГАП в эмали и дентине, где он составляет соответственно 97% и 70% от общего состава. Реминерализация - это процесс, при котором минеральная фаза постоянно восстанавливается в результате действия физиологического гомеостаза и благодаря компенсации каждодневной деминералиации.5,6,7
В этой статье подробно рассматриваются три различных реминерализующих решения (не основанных на наноматериалах) с применением дополнительных механизмов, разработанных под воздействием философии биомиметиков. 8 «Биомиметик» - это термин, обозначающий изучение образования, строения или функциональных свойств биологически производимых веществ, а также биологических механизмов и процессов, с целью синтеза аналогичных продуктов, которые имитируют натуральные продукты.9 Следующие решения соответствуют концепции биомиметики с применением различных методов и эффективно отвечают функциональным требованиям для противодействия развитию таких процессов, как кариес, гиперчувствительность и для усиления отбеливания.
*Биомиметический гидроксиаппатит;
* Фторогидроксапатит; и
*Аморфный фосфат кальция с добавлением функциональных свойств ионов цитрата, фторида и карбоната.
Материалы и методы
Исследование состава биомиметического ГАПа проводили с помощью рентгеноструктурного анализа. Исследования проводились для того чтобы оценить действие по снижению гиперчувствительности по субъективной оценке, при этом применяли зубную пасту, содержащую 5% биомиметического ГАПа, на 50 испытуемых при нанесении 2 раза в день в течение 28 дней.
Субъективная оценка зубной пасты, содержащей 4% биомиметического ГАПа, проводилась для того, чтобы количественно выразить отбеливание. В тестах In vivo сравнили зубную пасту, содержащую биомиметический ГАП и фторгидроксиапатит в дозировке 6%, с контрольным эталоном, содержащим эталонное реминерализующее активное вещество + 1500 ppm фторида. После трех дней использования 45 людьми с положительным анамнезом в отношении гиперчувствительности, на зубы испытуемых с помощью тупоконечного зонда был нанесен тактильный раздражитель. Оценка гиперчувствительности была дана в соответствии с VAS (визуально-аналоговая шкала): использовали балы: от 0 до 1 без боли, 2–3 для слабой, 4–6 для средней и 7–10 для сильной боли. Изображения с помощью электронно-сканирующего микроскопа (SEM) были получены в результате EX VIVO тестов, проводимых на зубах быков, чтобы исследовать свойства функционализированного комплекса аморфного фосфата кальция (F-ACP). С помощью электронно-сканирующего микроскопа можно получить изображения с различным разрешением (5,0 и 15,0 К), демонстрирующие различия между зубами, деминерализованными после кислотной обработки и после 1–2-недельной обработки зубной пастой, содержащей 10% раствор F-ACP, чтобы выделить новое осаждение минеральной фазы на зубах.
Измерения микротвёрдости по Виккерсу были осуществлены в сравнении F-ACP с контрольным эталоном путем предварительной деминерализующей обработки с последующей оценкой твердости, проведенной с помощью алмазного индентора и небольшого надавливания для образования вмятин на зубах. Глубина вдавливания переводилась в единицы твердости.
Доставку фторида анализировали с помощью рентгеновского энергодисперсионного микроанализа, сравнивая результаты комплекса со смесью отдельных активных веществ (ACP и фторид натрия).
Биомиметический ГАП
Биомиметический ГАП отличается от стехиометрического ГАПа (который имеет определенную химическую формулу [Ca5 (PO4) 3 (OH)] и встречается в природе в виде минерала или может быть произведен в промышленности) по составу и свойствам. Биомиметический ГАП демонстрирует разнообразное стехиометрическое строение, связанное с функционализацией положений Ca ++ и OH–;его поверхность имеет разветвлённый вид, который образовался в результате замещения ионами CO3– и Mg ++ вакансий в положениях Ca ++ и OH–; такая «шероховатость» включает неровности в порядке размера одиночных клеток10 и указывает на склонность к увеличению связывания белка при биореминерализации.
Предыдущие исследования подтвердили, что разветвлённые поверхности улучшают биосовместимость и адгезию материала10, подтверждая способность ГАП легко образовывать связи с такими субстратами, как гликопротеины зубной биопленки11 и микроповреждения. Из-за различной природы своих поверхностей стехиометрический и биомиметический ГАПы также отличаются по индексу кристаллизации.
Кристаллическая фаза более выражена в стехиометрическом ГАП, что определяет различие в химической активности:10 в веществах с более слабой кристаллической природой таких, как биомиметический ГАП, облегчается высвобождение ионов Ca ++ и PO4–, доступных для цикла реминерализации, предназначенных для сбалансированной реминерализации слюны высвобожденными ионами в зависимости от меняющегося рН-полости рта в течении всего дня. Химическая активность биомиметического ГАПа является ключевым аспектом, для использования в разработках костных протезов, 11 благодаря его биосовместимости и безопасности.
Предыдущие исследования показали, что ГАП более эффективно способствует отложению минералов на зубе по сравнению с эталонными материалами на основе Ca ++ и PO4.13 Представленный здесь биомиметический ГАП был подвергнут нескольким тестам для определения его химической природы и функциональных особенностей при введении в зубную пасту.
На рисунке 1 показано сравнение рентгеноструктурного анализа между биомиметическим, физиологическим и стехиометрическим ГАПами. Биомиметический ГАП дает пики, сравнимые с ГАП, производимым в организме человека, подтверждая его бимиметическую природу, особенно в связи с обнаружением ионов CO3– на вакантных участках OH–. Эта картина контрастирует с значительно отличающимися пиками, наблюдаемыми у стехиометрической формы, что свидетельствует о значительных различиях в составе продуктов.
Природа химической активности биомиметического ГАП объясняет его тенденцию к высвобождению ионов, реминерализующих слюну, с помощью рН-зависимого механизма: тесты на растворимость выявили очень низкую реакционную способность при значениях рН около 7,0 и медленное и устойчивое высвобождение при значениях ниже 5,5, которые соответствуют процессу деминерализации. Биомиметический ГАП способствует реминерализации зубов 5,14 по многоступенчатому механизму, обеспечивающему высокую адгезию к зубу, образование «запаса» минеральной фазы, осажденного на зубе, и пролонгированное рн-зависимого высвобождение ионов в слюну для ускорения процесса реминерализации.
Тесты in vivo с использованием зубной пасты, содержащей биомиметический ГАП, показывают последовательное снижение гиперчувствительности дентина (рис. 2); дальнейшие оценки выявили высокую эффективность в 80% случаев, при этом не было зарегистрировано случаев воспаления или низкой толерантности в деснах и ротовой полости. Дополнительные исследования также доказывают повышение эффективности отбеливания зубов, подтверждая результаты предыдущих исследований. 15,16 Дополнительные данные, полученные от тех же экспертов, подтверждают снижение гиперчувствительности после употребления горячих напитков у 46,6% участников и у 50% в случае холодных напитков.
Фторгидроксиапатит (F-HAP)
F-HAP представляет собой природный минерал, обнаруженный в различных породах, латеритных почвах17 и в эмали зубов акулы, где он представляет большую часть минеральной фазы.18 F-HAP обеспечивает большую устойчивость к кислотному воздействию благодаря его плохой растворимости19. Он имеет значение константы растворимости Ksp. 2,34 x 10–59, что означает более высокую устойчивость к кислотной эрозии и плохую растворимость 20, которая становится заметной только при pH ниже 4,0. Осаждение 21 F-HAP на минеральной фазе зуба, обусловленное его биомиметической природой и оптимизированным размером частиц, повышает устойчивость зуба к кислотной эрозии, укрепляет эмаль22, предотвращая чрезмерную потерю минеральных веществ во время ежедневных колебаний pH в полости рта, в диапазоне от 4,0 до 7,0.23 Что касается биомиметических аспектов F-HAP, то его использование подразумевает отложение толстого слоя, плотно прилипшего к зубу даже при механическом воздействие на слой или при переломе зуба, что указывает на сильное химическое взаимодействие на границе раздела; рентгенографические изображения зубов24 не выявили существенных различий в непроницаемости для рентгеновского излучения между слоем F-HAP, образованном на зубе и эмали, что свидетельствует об аналогичной плотности на поверхности эмали, подтверждая его биомиметическую природу. Более того, наличие минеральной фазы F-HAP на зубе создает неблагоприятную среду для формирования бактериальной биопленки, поскольку фторсодержащие вещества обладают известным свойством ингибировать гликолиз микробов. 25,26 Поэтому F-HAP является кандидатом для включения его в зубную пасту со специфическим действием по снижению гиперчувствительности и с многоуровневым вспомогательным действием против кариеса.
Тесты In vivo 27 проводились с помощью VAS (визуально-аналоговая шкала):(рис. 3), где сравнивали зубную пасту с биомиметическим HAP и F-HAP в дозировке 6%, с контрольной зубной пастой (содержащей реминерализующий эталонный активный ингредиент плюс 1500 ppm фторида) и плацебо. При тестировании оценивали действие против гиперчувствительности через 3 дня и была продемонстрирована более высокая эффективность биомиметической зубной пасты ГАП / F-HAP и контроля по сравнению с плацебо. Наиболее высокое снижение гиперчувствительности наблюдалось у зубной пасты с ГАП / F-HAP.
Комплекс F-ACP
Функционализированный комплекс аморфного фосфата кальция (F-ACP) основан на аморфном фосфате кальция, функционализированном ионами цитрата, фторида и карбоната по запатентованной технологии28, которая предусматривает покрытие из цитрат комплекса и включение фторидов и карбонатов в фазу ACP, и ставит свой целью увеличить доставку активных ингредиентов на поверхность зуба.
Цитраты физиологически образуются на органической матрице зуба с содержанием до 5% и играют ключевую роль в минеральных тканях. 29,30 Их присутствие является ключевым биомиметическим фактором, оптимизирующим сложную связь с поверхностью зуба и сводящим до минимума потерю активного ингредиента при полоскании водой во время чистки зубов. Комплекс является аморфным, в присутствии воды быстро распадается на активные ионы[31] насыщая собой слюну: на этом уровне ионы кристаллизуются в фторгидроксиапатит и карбонат-гидроксиапатит. Этот механизм представляет собой разумное решение для профессионального и ежедневного применения, где требуется интенсивная реминерализация.
Испытания ex vivo с использованием пасты с комплексом F-ACP с дозировкой 10% показали реминерализующее действие комплекса через одну и две недели в сравнении с зубом, деминерализованным в начале исследования фосфорной кислотой. Результаты показывают значительное накопление минеральной фазы через одну неделю и более очевидные результаты через две недели. Сравнительный анализ с контрольной безводной зубной пастой проводили при измерении микротвердости по Виккерсу. Анализ глубины вдавливания показал значение микротвердости комплекса F-ACP в 110hv по сравнению со значением эталона в 87hv.
EDX-анализ был проведен для определения биомиметического характера F-ACP путем измерения содержания фторидов в зубе в сравнении со смесью ACP и фторида натрия. Количество фторидов, используемое в анализируемых системах было одинаковое. Результаты показывают четырехкратное увеличение фторида, осажденного после обработки комплексом F-ACP, и обнаруженного в зубе в концентрации 1,5% по массе. Результаты подтверждают оптимизированную доставку ионов благодаря применению запатентованной биомиметической технологии.
Заключение
Были взяты для оценки три различных подхода в реминерализации.
Биомиметический ГАП с вакансиями на участках OH– продемонстрировал пригодность для ежедневного ухода за полостью рта для обеспечения превосходной, сбалансированной и длительной реминерализации, направленной на предотвращение гиперчувствительности зубов, возникновения кариеса и на стимулирование усиления эффекта отбеливания зубов.
Фторгидроксиапатит благодаря биомиметическому поведению, обусловленному совместимостью с поверхностью зуба с точки зрения адгезивности, демонстрирует большую возможность применения его при серьезных микроповреждениях зубов благодаря его устойчивости к кислотному воздействию и его способности укреплять эмаль, что лежит в основе современного подхода к лечению кариеса и предотвращению действия кислот.
Комплекс F-ACP благодаря запатентованной технологии, направленной на оптимизацию доставки активных веществ на поверхность зуба, позволяет создать безводную зубную пасту, специфичную для немедленной реминерализации зубов, он также предназначен для профессионального и ежедневного применения после чистки зубов или для использования в случае сильной гиперчувствительности или при лечении кариеса.
ССЫЛКИ
1.ten Cate JM, Contemporary perspective on the use of fluoride products in caries prevention, Br Dent J. 2013 Feb;214(4):161-7. doi: 10.1038/sj.bdj.2013.162
2.Tokoko Kani, Mizuo Kani, Effect to Apatite containing dentifrices on dental caries in school children, Journal of dental health- 39, 104-109 (1988)
3.Shimura N., Yonemitu O., Yamada et al., Caries prevention and clinical trial of hydroxyapatite containing dentifrices, Dental Journal, 15; 213, 1982
4.Cochrane, N. J., Cai, F., Huq, N. L., Burrow, M. F. & Reynolds, E. C., New approaches to enhanced remineralization of tooth enamel, Journal of Dental Research 89, 1187–1197 (2010)
5.Neel, E. A. A. et al., Demineralization–remineralization dynamics in teeth and bone, International Journal of Nanomedicine 11, 4743–4763 (2016)
6.Koulourides T, Feagin F, Pigman W. - Remineralization of dental enamel by saliva in vitro Ann N Y Acad Sci. 1965 Sep 30;131(2):751-7. PMID: 5214661 DOI: 10.1111/j.1749-6632.1965.tb34839.x
7.Arends, J. et al., Rate and mechanism of enamel demineralization in situ, Caries research 26, 18–21 (1992)
8.Ruan, Q. & Moradian-Oldak, J. Amelogenin and enamel biomimetics, Journal of Materials Chemistry B 3, 3112–3129 (2015)
9.Nathan F Lepora, Paul Verschure, Tony J Prescott, The state of the art in biomimetics, Bioinspir. Biomim. 8 (2013) 013001
10.Jaime G?mez-Morales, Michele Iafisco, Jos? Manuel Delgado-L?pez, St?phanie Sarda, Christophe Drouet, Progress on the preparation of nanocrystalline apatites and surface characterization: Overview of fundamental and applied aspects, Chem. Mater. 2010, 22, 12, 3653-3663
11.Souza, Comar et al, Effect of an experimental paste with hydroxyapatite nanoparticles and fluoride on dental demineralization and remineralization in situ. Caries Research 2015;49:499-507
12.X. Lin K. de Groot, D. Wang, Q. Hu, D. Wismeijer, and Y. Liu, A review paper on biomimetic calcium phosphate coatings, Open Biomed Eng J. 2015; 9: 56–64. Published online 2015 Feb 27. doi: 10.2174/1874120701509010056
13.M.Bajaj, Poornima P., Praveen S et al., Comparison of CPP-ACP, tri-calcium phosphate and hydroxyapatite remineralization of artificial caries like lesions on primary enamel- an in vitro study, The Journ. Of Clinical Pediatric Dentistry Vol.40, Nr 5/2016
14.Roveri, N. et al., Surface enamel remineralization: biomimetic apatite nanocrystals and fluoride ions different effects, Journal of Nanomaterials (2009)
15.C.Guo, H.Liu, I. Katayama, Effect of hydroxyapatite toothpaste on vital color, Journal of Dental Reearch, 81 Special Issue 2002 A-254
16.Niwa M1, Sato T, Li W, Aoki H, Aoki H, Daisaku T., Polishing and whitening properties of toothpaste containing hydroxyapatite, J Mater Sci Mater Med. 2001 Mar;12(3):277-81
17.Handbook of mineralogy- 2001-2005 Mineral Data Publishing, version 1
18.Adrian Lussi, Elmar Hellwig, Joachim Klimek, Fluorides – mode of action and recommendations for use, Research and Science, October 2011
19.HB Pan, BW Darvell, Solubility of calcium fluoride and fluorapatite by solid titration, Arch. Oral. Biol. 52, 861-8
20.Nora H. de Leeuw, Resisting the onset of hydroxyapatite dissolution through the incorporation of fluoride, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 6, 1809-1811
21.H Yamazaki, A Litman, HC Margolis, Effect of fluoride in fluoride on artificial caries lesion progression and repair in human enamel-Regulation of mineral deposition and dissolution under in vivo like conditions. Arch. Oral. Biol., 52(22):110-20
22.Featherstone JD, Prevention and reversal of dental caries: role of low level fluoride, Community Dent Oral Epidemiol, 1999 Feb;27(1):31-40
23.Bowen WH, The Stephan Curve revisited, Odontology 2013 Jan;101(1):2-8. doi: 10.1007/s10266-012-0092-z. Epub 2012 Dec 6
24.Oliveira M, Sander H, Synthetic tooth enamel: SEM characterization of a fluoride hydroxyapatite coating for dentistry applications, Mat. Res. vol.10 no.2 S?o Carlos Apr./June 2007 http://dx.doi.org/10.1590/S1516-14392007000200004
25.Marquis RE, Antimicrobial actions of fluoride for oral bacteria. Can J Microbiol. 1995 Nov;41(11):955-64
26.Loskill P, Zeitz C, Grandthyll S, Thewes N, M?ller F, Bischoff M, Herrmann M, Jacobs K . Reduced adhesion of oral bacteria on hydroxyapatite by fluoride treatment. Langmuir 2013 May 7;29(18):5528-33. doi: 10.1021/la4008558. Epub 2013 Apr 23
27.Weinstein T., Basso M, Tassera C, Ionescu EC et al- 3 Day clinical study on three different toothpastes on dentin hypersensitivity. International Association for Dental Research IADR-PEF Congress, Jerusalem 2016- Pos Ref 2530694
28.Iafisco, Degli Esposti, Rodr?guez, Carella, Morales, Ionescu, Brambilla et al., Fluoride-doped amorphous calcium phosphate nanoparticles as a promising biomimetic material for dental remineralization- Scientific reports, 2018) 8:17016 | DOI:10.1038/s41598-018-35258-x 1
29.Zipkin, I. & Piez, K. A. The Citric Acid Content of Human Teeth, J. Dent. Res. 29, 498–505 (1950).
30.Hu, Y. Y., Rawal, A. & Schmidt-Rohr, K., Strongly bound citrate stabilizes the apatite nanocrystals in bone, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 22425–22429 (2010).
31.Boskey, A. L. & Posner, A. S., Conversion of amorphous calcium phosphate to microcrystalline hydroxyapatite, a pH-dependent, solution-mediated, solid-solid conversion. J. Phys. Chem. 77, 2313–2317 (1973).
32.Zhao, J., Liu, Y., Sun, W.-b. & Zhang, H., Amorphous calcium phosphate and its application in dentistry, Chemistry Central Journal, 1–7 (2011).
