Сегодня нанотехнологии в России и за рубежом признаны авангардом науки и им уделяется пристальное внимание. Технический комитет ISO/ТК 229 [1] под нанотехнологиями понимает:

— знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

— использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

Согласно «Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 г.», нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получающие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба [2].

Первооткрывателем нанотехнологий признан известный американский математик, физик, лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман (1918—1988). Он изложил теоретические предпосылки нанотехнологий в лекции «Внизу полным-полно места» в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера; по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодня физическим законам.

Наноматериалы активно внедряются в клиническую практику различных областей стоматологии. Многие клиницисты и ученые предсказывали, что наноматериалы для реставраций дефектов зубов и зубных рядов будут обладать значительно улучшенными свойствами по сравнению с традиционными материалами: повышенной механической прочностью, цветостабильностью, устойчивостью к истиранию и потере блеска. Для изучения вопроса сравнительной эффективности реставрационных наноматериалов мы провели автоматический поиск научных исследований in vivo и in vitro в базе данных Pubmed по названиям классов и конкретных материалов и ручной поиск в нескольких зарубежных стоматологических журналах.

Механические свойства композитных материалов зависят от концентрации и размеров частиц наполнителя. Первые композиты (макрофильные) содержали частицы размером 150 мк [3]. Современные композиты в зависимости от класса содержат наполнитель с частицами размером в диапазоне от 40 до 0,01 мкм [4]. Нанокомпозиты были созданы с целью получения материалов, обладающих повышенными механическими свойствами, как у гибридных композитов для боковых зубов, и в то же время позволяющих добиться превосходной эстетики, как микрофильные композиты [5].

Длина волны света, которую различает человеческий глаз, — 0,4—0,8 мк. S. Mitra и соавт. (2003) высказали мнение, что человек не сможет увидеть частицы нанокомпозита, и поэтому он будет обладать лучшими эстетическими свойствами, чем другие композиты, с более крупными частицами [6].

Нанокомпозиты различных фирм имеют разный состав наполнителя по химическому составу и по размеру частиц — от 20 нм (нанонаполненный) до 550 нм (наногибридный) (см. таблицу).

H. Lu и соавт. (2005) изучали цветовую стабильность композитных материалов с разной степенью шероховатости после выдержки в кофейном растворе (контрольная группа — в дистиллированной воде) в течение 3, 7 и 14 дней. Были использованы композиты фирмы 3M: Filtek Supreme (нанокомпозит), Filtek A110 (микрофильный композит), Filtek Z250 (микрогибридный композит) и Filtek P60 (микрогибридный композит). Образцы композитов были разделены на 5 групп, обработанных наждачной бумагой с зернистостью 1,000; 1,200; 1,500; 2,000 и 2,500; 6-я группа была контрольной. Цвет измеряли спектрофотометром, рассчитывались изменения цвета Delta E. Было установлено, что нанокомпозит не имеет преимуществ перед другими материалами. Увеличение шероховатости поверхности и время выдержки усиливали изменения цвета композитных материалов, за исключением Filtek A110 [7].

В исследовании H. Barakah и N. Taher (2014) [8] изучались цветовая стабильность и шероховатость поверхности композитных материалов in vitro после полировки при помощи PoGo, Astropol или Hi-Shine. Было изготовлено 45 дисков размером 2×10 мм из нанокомпозитов Filtek Supreme XT и Tetric EvoCeram и микрогибридного композита Z250. Одна сторона диска была отполирована, другая — нет. Профилометром определяли шероховатость дисков. Цвет дисков измеряли спектрофотометром в начале исследования и после выдержки в течение 3 нед в растворе, состоящем из смеси зеленого чая, кофе и сока кофейного дерева. Не было обнаружено преимуществ нанокомпозитов в устойчивости к окрашиванию и шероховатости. Наиболее подверженным изменению цвета оказался нанокомпозит Filtek Supreme XT, а наибольшей была шероховатость поверхности у другого нанокомпозита — Tetric EvoCeram.

В исследованиях in vitro E. Karaman (2014) [9] и P. Bogra (2012) [10] не выявлено преимуществ нанокомпозитов (Ceram X и Filtek Supreme XT) в усадке при полимеризации и краевой проницаемости пломб перед традиционными композитами и композитом на основе силорана (Filtek Silorane).

В исследовании W. Dresch (2006) оценивались клинические результаты через 1 год пломбирования полостей 1-го и 2-го классов на боковых зубах нанокомпозитом, пакуемым композитом и микрогибридными композитами (Filtek Supreme, Pyramid, Esthet-X и Tetric Ceram). У 42 пациентов было установлено 148 пломб, через 1 год все реставрации были оценены 2 независимыми экспертами по модифицированным USPHS-критериям. Нанокомпозит показал клиническую эффективность, схожую с таковой у других композитов [11].

В исследовании A. Andrade и соавт. (2014) [12] изучалась клиническая эффективность нанонаполненного композита Filtek Z350 3M ESPE, наногибридного композита Esthet-X Dentsply и микрогибридного композита Filtek Z250 3M ESPE при пломбировании полостей 1-го класса на боковых зубах через 54 мес. Материалы продемонстрировали схожие клинические результаты с небольшими различиями в краевом прилегании и шероховатости поверхности.

В обзоре A. Andrade и соавт. (2009) [13] сделан вывод, что нанокомпозиты могут применяться для восстановления боковых зубов, но у них нет преимуществ перед обычными композитами.

В представленных выше исследованиях in vivo и in vitro по сравнительной оценке нанокомпозитов не обнаружено их предполагаемых преимуществ перед традиционными композитами.

M. Kaizer и соавт. (2014) [14] сделали систематический обзор исследований in vitro, изучающих полировку поверхности нанофильных и наногибридных композитов в сравнении с традиционными композитами. Поиск был выполнен по 3 базам данных — MEDLINE/PubMed, ISI Web of Science и SciVerse Scopus; в обзор включено 28 исследований с достоверным статистическим обоснованием результатов. Установлено, что не существует доказательств того, что у нанокомпозитов более гладкая и более блестящая поверхность, чем у традиционных композитов, и что поверхность нанокомпозитов лучше сохраняет свои свойства с течением времени.

Y. Hongye и соавт. (2014) [15] предложили модифицировать поверхность дентина зуба при помощи наноматериалов так, чтобы она была похожа на эмаль. 1-м этапом они рекомендовали депротеинизировать поверхность дентина (удалить коллаген) аппликацией раствора гипохлорита натрия (см. рисунок).

В различных исследованиях было доказано, что коллаген не является необходимым условием для достижения эффективной адгезии (J. Kanca, 1998; C. Prati, 1999; S. Phrukkanon, 2000; R. Frankenberger, 2000). Недостатки коллагена: нестабильность коллагена делает адгезивный протокол чувствительным к технике исполнения [20]; низкая свободная энергия может снижать инфильтрацию мономера через нанопространства коллагеновой сетки [21]; поверхностный коллаген содержит воду, которая способствует гидролизу полимерной матрицы эстеразами [22]; металлопротеиназы и цистеиновые катепсины коллагена способствуют деградации гибридного слоя, образованного адгезивом [23, 24]. Некоторые исследователи уже предложили удаление коллагена с поверхности деминерализованного дентина как путь оптимизации адгезивной методики [25, 26]. В некоторых исследованиях доказано, что депротеинизация даже увеличивает немедленную силу адгезии [17, 18, 27, 28].

Y. Hongye и соавт. (2014) [15] предложили 2-м этапом заблокировать расширенные дентинные канальцы наночастицами мезопористого кремния (MSN) МСМ-41 для уменьшения гидравлического давления тока жидкости из дентинных канальцев (см. рисунок).

Согласно гидродинамической теории M. Brannstrom [29], наиболее эффективный путь исключения влияния жидкости — блокировка дентинных канальцев [30]. Может ли блокировка дентинных канальцев привести к снижению силы адгезии? Исследования доказали, что полная пенетрация мономера через гибридный слой играет более важную роль для силы адгезии, чем связи мономера, образованные внутри дентинных канальцев [31, 32]. Более того, было обнаружено, что сила адгезии к дентину после закрытия дентинных канальцев кальцийсодержащим десенитайзером при использовании различных адгезивов не уменьшается или даже немного увеличивается [33—35]. Мезопористые наночастицы кремнезема (MSN) недавно привлекли широкий интерес с точки зрения их потенциального биомедицинского применения из-за большой площади поверхности, высокой поверхностной энергии, высокой объемной пористости и хорошо упорядоченной структуры гексагональных пор, отличной тепловой и механической стабильности, эффективной пенетрации и адсорбции [36]. Y. Chiang и соавт. (2010) доказали, что частицы MSN могут интенсивно проникать в дентинные канальцы и тесно интегрироваться со стенками канальцев [37].

Для выполнения 2-го этапа одинаковое количество наночастиц мезопористого кремния отдельно насыщалось оксидом кальция и фосфорной кислотой, а затем перемешивалось с дистиллированной водой, образуя пасту. Поверхность депротеинизированного дентина 3 раза покрывали равномерным слоем этой пасты. После твердения в течение 10 мин поверхность тщательно промывали струей воды 30 с так, что оставалось только тонкое белое покрытие. Ионы кальция и фосфорной кислоты, высвобождаясь из наночастиц, образуют преципитаты CaHPO4·2H2O, которые будут способствовать адгезии между наночастицами и подлежащим слоем депротеинизированного дентина, плотно блокируя дентинные канальцы для предотвращения выхода жидкости на поверхность бондинга [38]. Кроме того, наночастицы будут плотно соединяться с гидроксиапатитом депротеинизированного дентина за счет химической реакции образования трикальцийфосфата, стабилизированного кремнием [39].

И 3-й этап получения структуры, похожей на эмаль, — самосборка на поверхности наностержней из гидроксиапатита (см. рисунок). K. Yamagishi и соавт. [40] в 2005 г. предположили, что покрытие из фторированного гидроксиапатита может использоваться для реконструкции эмали. Y. Hongye и соавт. (2014) применили наностержни из гидроксиапатита размером примерно 10 нм в поперечном сечении и 50—100 нм в длину, синтезированные in vitro по методике Wang [41]. Стержни гидроксиапатита будут прочно соединяться с насыщенным кремнием слоем благодаря реакции образования трикальцийфосфата, стабилизированного кремнием (Si-TCP).

Таким образом, Y. Hongye и соавт. (2014) предложили модель нанопленки на поверхности дентина, которая будет надежно блокировать дентинные канальцы, проста и малозатратна при построении, будет создавать насыщенное минералами покрытие, похожее по составу и строению на эмаль зуба. Изучение свойств этой нанопленки — предмет дальнейших исследований.

Единственный пока представитель этого класса материалов — Lava Ultimate, блок для CAD/CAM-установки, состоящий из наночастиц циркония и кремния, распределенных в полимерной матрицк. В отличие от обычных керамеров, имеющих неорганический наполнитель менее 50% по весу, Lava Ultimate содержит 80% по весу неорганической фазы (наночастиц циркония и кремния) и примерно 20% по весу органической полимерной фазы (UDMA и BIS-EMA). Наночастицы кремния имеют средний размер 20 нм в диаметре, а циркония — от 4 до 11 нм. Эти частицы обработаны силаном, который обеспечивает их химическую связь с полимерной матрицей. Частицы распределяются в матрице как индивидуально, так и в виде нанокластеров. Модуль эластичности материала — 12,8 ГПа. Lava Ultimate относят к классу полимерной нанокерамики (Resin Nanoceramic, RNC) [42].

S. Duarte и соавт. (2014) [42] исследовали in vitro шероховатость поверхности 3 реставрационных материалов: Vita Enamic, IPS emax и Lava Ultimate. Было установлено, что отполированные поверхности Vita Enamic и Lava Ultimate и отглазурованная поверхность IPS emax имеют схожую шероховатость. Однако после искусственного «старения» образцов (600 000 жевательных циклов) шероховатость поверхности всех образцов увеличилась, но в разной степени: IPS emax — на 256%, Vita Enamic — на 226% и Lava Ultimate — на 50%. Кроме того, установлено, что Lava Ultimate вызывает наименьшее стирание антагонирующей эмали зуба после 600 000 циклов жевания.

Следует отметить, что в группе сравнения в исследовании S. Duarte (2014) не хватает обычных композитов, которые тоже могут применяться при непрямом изготовлении реставраций. Например, в in vitro исследовании M. Arocha и соавт. (2014) [43] определено, что цветовая стабильность Lava Ultimate после выдержки в течение 4 нед в разных окрашивающих растворах (черный чай, кофе, красное вино) хуже, чем у обычных композитов, используемых для непрямых реставраций (SR Adoro and Premise Indirect).

Для улучшения механических свойств метил-метакрилатных пластмасс, используемых для изготовления базисов съемных протезов, предложено добавлять в их состав карбоновые нанотрубки.

R. Wang и соавт. (2014) [44] изучали свойства пластмассы Lucitone199 (Dentsly) после добавления разного количества многослойных карбоновых нанотрубок (MWCNT). Нанотрубки вносились в акриловый мономер из расчета 0,5; 1 и 2 весовых процента, затем каждый раствор перемешивался в ультразвуковом миксере 20 мин. Контрольная группа не содержала нанотрубок в мономере. Пластмасса замешивалась и полимеризовалась согласно инструкциям производителя в виде шаблонов для испытаний. Было установлено, что пластмасса, содержащая 0,5 и 1% нанотрубок, лучше выдерживает статическую нагрузку на изгиб, но все пластмассы, содержащие нанотрубки, показали плохую сопротивляемость динамической нагрузке в тесте на усталость.

Добавление нанотрубок в акриловую пластмассу привело к ухудшению ее механических свойств. Снизилась устойчивость к динамической нагрузке и, хотя сопротивление к статической нагрузке выросло, но максимальным оно было при минимальной дозе нанотрубок.

Японская фирма «Panasonic» выпускает диски NanoZR для CAD\CAM-установок. NanoZR состоит из смеси наночастиц тетрагонального оксида циркония, стабилизированного оксидом церия Ce-TZP (65%) вместо оксида иттрия, как у традиционного оксида циркония 3Y-TZP, и наночастиц оксида алюминия (22%). Перед пресинтеризацией в керамические диски керамический порошок подвергается холодному изостатическому прессованию.

В исследовании in vitro J. Perdigão и соавт. [45] установлено, что NanoZr в отличие от Lava 3Y-TZP устойчив к процессу искусственного гидротермического старения и, хотя моноклиническая трансформация кристаллов у него тоже происходит, но она значительно меньше, чем у обычного циркония, стабилизированного иттрием.

M. Aboushelib и соавт. (2008) [46] изучали in vitro механические свойства NanoZr и Y-TZP. Было обнаружено, что у NanoZr достоверно выше устойчивость к переломам, у материалов схожий коэффициент термического расширения, но у NanoZr значительно хуже сцепление с облицовочной керамикой.

J. Fischer и соавт. (2010) [47] исследовали in vitro прочность соединения NanoZr и Y-TZP с облицовочной керамикой. Определено, что предел прочности на сдвиг с различными марками облицовочной керамики у NanoZr значительно различается, наилучшие результаты получены с VITA VM 9, Cerabien ZR и Vintage ZR. Кроме того, обнаружено, что абразивная обработка не влияет на прочность соединения NanoZr с облицовочной керамикой, а нанесение лайнера даже снижает ее. Соединение Y-TZP с облицовочной керамикой не намного, но значимо сильнее, чем с NanoZr.

T. Takano и соавт. (2012) [48] изучали in vitro выносливость NanoZr с разной обработкой поверхности и Y-TZP к статическому и динамическому тесту на усталость согласно ISO 6872. Оказалось, что NanoZr в 2 раза выносливее, чем Y-TZP. Авторы сделали вывод, что NanoZr можно использовать для изготовления внутрикостных имплантатов, так как его прочность почти в 4 раза превышает рекомендованное значение (ISO 13356 — 320 мПа).

NanoZr в исследованиях in vitro продемонстрировал более высокую устойчивость к моноклинической гидротермальной трансформации и к механическим нагрузкам, чем Y-TZP, но, возможно, именно из-за наличия наночастиц у него значительно хуже сцепление с облицовочной керамикой.

Опубликованы исследования in vitro механических свойств экспериментальной стеклокерамики, состоящей из наночастиц лейцитов, для облицовки цельнокерамических каркасов [49, 50]. Установлено, что наностеклокерамика вызывает меньшее стирание эмали антагонистов, чем обычная облицовочная керамика (Ceramco-3); кроме того, наностеклокерамика продемонстрировала высокую прочность при нагрузках на изгиб.

Исследование свойств экспериментальной наностеклокерамики для облицовки цельнокерамических каркасов выявило ее преимущества перед обычной облицовочной керамикой. Однако пока не изучена сила сцепления нанокерамики с каркасом при разных видах нагрузок и отсутствуют исследования выживаемости коронок с наностеклокерамикой in vivo.

Вышеизложенное позволяет сделать следующие выводы:

— современные реставрационные материалы, содержащие наночастицы, не обладают клиническими преимуществами перед традиционными материалами, применяющимися в стоматологии;

— размельчение частиц исходного реставрационного материала до наноразмера или добавление к нему наночастиц не приводит к улучшению его свойств, а иногда даже способствует их ухудшению.

— создание нанопленок на поверхности зуба, инструмента или внедряемого объекта — перспективный путь развития нанотехнологий.