Дентални импланти, защитени от бактериално увреждане, осигуряват фототерапия срещу възпаление на венците

Само в САЩ над 3 милиона души имат поставен дентален имплант, който замества зъб, паднал вследствие на сериозно увреждане, заболяване на венците или травма. За разлика от познатите ни протези и мостове, имплантите се закрепят много по-здраво и издържат поне 20 години.

Често обаче те падат много по-рано от очакваното (между петата и десетата година) заради локално възпаление или друг проблем с венците, което налага повторно извършване на скъпата инвазивна процедура.

Асистентът от медицинското училище към Университета на Пенсилвания Гилсу Хуанг, който използва експертизата си в областта на инженеринга по време на проучвания върху проблеми, свързани със здравето на устната кухина, споделя: „Искахме да решим този въпрос и затова създадохме иновативния зъбен имплант*.“

Комбинация от наночастици и светлинен източник

Модерните импланти съчетават две ключови технологии. Те са изградени от материал със съдържание на наночастици, който е устойчив на бактериални инфекции. Другото им предимство е, че в тях е монтиран светлинен източник за провеждане на фототерапия. Той се захранва с енергията от естествените движения на челюстите при дъвчене и миене на зъбите.

Научното постижение на Хуанг и екипа му е описано в списание „Advanced Healthcare Materials“. В бъдеще то може да намери приложение не само в денталната медицина, но и при изработването на изкуствени стави.

Предимства на фототерапията

„Фототерапията е решение на не един здравословен проблем“, пояснява Хуанг. „Когато се имплантира биоматериал, практически не е възможно батерията му да се смени или презареди. Ето защо използвахме пиезоелектрически материал, който може да генерира електроенергия от естествените движения на устата. Така се осигуряват условия за провеждане на фототерапия, а тя успешно защитава тъканта на венците от бактериални инфекции.“

Използваният от учените материал е бариев титанат (BTO), който има пиезоелектрически свойства. Той се използва при производство на кондензатори и транзистори, но никога досега не е намирал приложение при създаването на продукти от биоматериали, които да са устойчиви на бактериално увреждане и да могат да бъдат имплантирани в човешкото тяло.

Основен компонент на материала е бариевият титанат

Първият етап от научните експерименти на екипа включва излагането на дискове от наночастици бариев титанат на бактерията Streptococcus mutans, която е основен компонент в състава на бактериалния биофилм, причиняващ образуването на зъбна плака. Учените откриват, че колкото по-висока е концентрацията на бариев титанат в материала, толкова по-устойчиви са дисковете на въздействието на бактерията.

По-стари проучвания сочеха, че бариевият титанат унищожава бактериите с помощта на активни форми на кислород, получени в резултат на фотокатализа или диелектрична поляризация. Според Хуанг и колегите му обаче не е така, защото двата метода имат краткотрайна ефективност и предизвикват допълнителни усложнения. Те по-скоро смятат, че материалът генерира по-голям отрицателен електрически заряд върху повърхността, който отблъсква стените на бактериалните молекули, чийто заряд също е отрицателен. Ефектът на отблъскване е много по-дълготраен, твърдят изследователите.

Хуанг добавя: „Искахме да имплантираме материал, който да издържи на вредното въздействие на бактериите в дългосрочен план, защото те представляват постоянна заплаха.“

Свойства на бариевия титанат

Бариевият титанат се доказва като много издръжлив във времето и не губи свойството си да генерира енергия.

Също така той притежава механична якост, която не отстъпва по нищо на много от другите материали, използвани в денталната практика.

Не на последно място, той не уврежда здравите тъкани на венците.

Технологията има шанса да спечели финансиране, тъй като е сред 12-те най-добри изследвания според експерти от центъра „Science Center“.

Занапред екипът се надява да има възможността да усъвършенства системата за зъбни импланти, да тества нови видове материали, а може би и да интегрира в тях различни свойства. От едната си страна да предпазва интензивно венеца, а от другата – да отблъсква бактериите в устната кухина.

„Силно се надяваме технологията ни да получи признание и финансиране, за да може да се използва в областта на денталната медицина“, споделя Хуанг.

Част от екипа, работил съвместно с него, включва Атул Дал от „Penn Dental Medicine“, Ю Жанг, Муунчул Парк и Албърт Ким.

* Dhall Atul, Sayemul Islam, Moonchul Park, Yu Zhang, Albert Kim, Geelsu Hwang. Bimodal Nanocomposite Platform with Antibiofilm and Self-Powering Functionalities for Biomedical Applications. ACS Applied Materials & Interfaces. 2021.