В настоящее время термин «нанотехнологии» несколько политизирован и зачастую считается лишь инструментом агрессивных PR-кампаний. Услышав что-то про наночастицы и наноматериалы, среднестатистический россиянин, скорее всего, усмехнется. В то же время жители Европы и США всерьез обеспокоены вопросами нанотоксикологии, а популярная пресса периодически манипулирует общественным сознанием, рассказывая о возможном поглощении биосферы самореплицирующимися нанороботами в случае слишком (или не слишком) успешной работы ученых. В общем, при ближайшем рассмотрении становится понятно, что эта область фундаментальных и прикладных исследований неоправданно мистифицирована.

Приставка «нано» принята в Международной системе единиц (СИ) и соответствует одной миллиардной части исходной единицы. Например, нанометр (нм) — это 1·10^–9 м. Высокодисперсные твердофазные объекты, размеры которых колеблются от 1 до 100 нм, называются наночастицами. Способные к самоорганизации, они могут образовывать агломераты, кластеры и другие упорядоченные структуры величиной до нескольких микрометров (1·10^‒6 м). Слово «нанотехнология» не несет в себе ни негативного, ни фантастического подтекста — просто достижения физики и химии (сканирующая электронная микроскопия, темпланты, эффективные диспергенты и др.) позволили исследователям оперировать объектами в нанометровом диапазоне.

Одна только реферативная база данных PubMed, знакомая каждому студенту, в ответ на поисковый запрос «nanoparticles» выдает более 215 тыс. результатов. Так, липосомы [1—3] — перспективные инструменты адресной доставки лекарственных препаратов, углеродные нанотрубки — опоры для построения молодой костной ткани [4]. Нановолокна применяются для создания фильтров и лечебных повязок при обширных поражениях кожных покровов [5, 6], наноструктурированные поверхности титановых имплантатов — для более эффективного внутриочагового металлоостеосинтеза [7, 8]. За дверью в наномир оказалось необъятное поле для научного поиска! В данном обзоре предпринята попытка охватить, систематизировать и преподнести квинтэссенцию самых актуальных исследований в области стоматологической нанотехнологии.

Мировое сообщество стоматологов массово столкнулось с «наномиром» осенью 2002 г., когда на Международной стоматологической выставке в Вене был представлен первый композиционный материал нового поколения — нанокомпозит «Filtek Supreme». Высокая степень наполненности, сочетающаяся одновременно с абразивной износостойкостью, хорошей полируемостью и высокой эстетичностью, позволили этому подсемейству композитов стать эталоном реставрационного материала и на данный момент завершить эволюцию размеров неорганического наполнителя — от макронаполненных до наногибридных.

В настоящее время композиты — широко используемый стоматологический материал. Они вышли на арену современной стоматологии после открытий химика Рафаэля Л. Боуэна (1962) и создания теории адгезивного протокола M. Buonocore (1965) и вскоре завоевали ее. Все больше терапевтов выбирают их для реставраций всех классов по Black, восстановления разрушенных культей зубов, ортопеды — для изготовления временных и постоянных виниров, фиксации несъемных протезов. В связи с высоким лечебным и коммерческим потенциалом все больше внимания уделяется причинам клинических неудач композитных реставраций и инновационным способам их предупреждения.

В последние годы ученые стали все чаще высказывать мнение, что причина рецидивирующего кариеса кроется в несовершенствах химического состава композитных материалов: на полимерную структуру композитной матрицы могут воздействовать ферменты бактерий и конечные продукты их метаболизма [9, 10]. Кроме того, множество низкомолекулярных веществ образуется при взаимодействии гидролитических ферментов человеческой слюны, например, псевдохолинэстеразы и композитных смол BIS-GMA, TED-GMA. Изначально неполная фотополимеризация мономера в клинике лишь ускоряет деградацию материала. Кроме того, общеизвестно, что и ферменты микроорганизмов разрушают сложные полимеры с образованием более мелких молекул, которые впоследствии могут быть использованы бактериальной биопленкой в качестве источников углерода и энергии. Это предположение было сделано еще в 2004 г. и проверено группой исследователей из Торонто [11]. В эксперименте на плотной питательной среде чистые штаммы Streptococcus mutans и Streptococcus salivarius культивировались в присутствии триэтиленгликоля — одного из продуктов распада смолы TED-GMA — и метакриловой кислоты. Бактериальный рост оценивался с помощью системы измерения оптической плотности Bioscreen. Усиленное размножение S. mutans было дополнительно подтверждено путем подсчета колониеобразующих единиц.

Рост бактерий в микротрещинах и, что важнее, на границе раздела фаз зуб-композит способствует нарушению краевого прилегания и распространению биопленки по поверхности реставрации. Окклюзионная нагрузка и усадочные деформации дополнительно способствуют проникновению инфекции [12].

Совершенствование реставрационных материалов — один из важнейших элементов стратегии борьбы с микробной биопленкой. И если на протяжении многих лет эволюция композитов шла по пути модификации их наполнителя (вплоть до наноразмерных частиц), то сегодня важнейшее направление совершенствования композитов — модификация их полимерной матрицы. В 10-х годах XXI века была проведена серия экспериментов [13, 14] по включению в композит антибактериального компонента — метакрилатов, модифицированных соединениями четвертичного аммония, например, диметиламиногексадецилметакрилата (DMAHDM). Положительно заряженные аммониевые группы и длинные алкильные радикалы этих соединений позволяют эффективно разрушать клеточные мембраны бактериальных клеток. В то же время DMAHDM в комбинации с наночастицами фосфата кальция был использован при разработке биологически активных силеров — герметиков для корневых каналов [15, 16]. К гремучей смеси четвертичных аммониевых метакрилатов и гидроортофосфата пробовали добавлять даже наночастицы серебра [17, 18]! Наночастицы четвертичных аммониевых соединений были включены также в состав ортодонтических цементов [19].

Перспективно включение в матрицу композита белковых репеллентов, препятствующих адсорбции протеинов слюны, адгезии микроорганизмов и, следовательно, образованию биопленки. Так, 3% метакрилат с полярной группой фосфолипидов в боковой цепи (MPC) позволил снизить бактериальную обсемененность тестовых композитных дисков почти в 2 раза [20]. Вместе с наночастицами фосфата кальция этот полимер вошел в состав экспериментальной многофункциональной адгезивной системы, обладающей одновременно противомикробными и реминерализующими свойствами [21].

Для достижения оптимального минерального окружения будущей реставрации исследователи наполняют композитную матрицу наночастицами аморфного фосфата кальция (кристаллогидрата фосфата кальция), гидрофосфата кальция, тетракальцийфосфата и трикальцийфосфата [22, 23], наногидроксиапатита [24] и более рентгеноконтрастного стронций-апатита [25]. Размер и структура частиц подтверждаются методами рентгеновской дифракции, просвечивающей электронной микроскопии, динамического рассеяния света [26]. В 2017 г. была предпринята попытка создания комбинированных наночастиц методом матричного (темплатного) синтеза. При этом получены аморфные частицы фосфата кальция, «содержащие» ацетат или глюконат хлоргексидина [27]. В 2018 г. проведено легирование наночастиц фосфата кальция фторид-ионами [28].

Основополагающее свойство композитов с наночастицами соединений кальция и фосфора — высокий реминерализующий потенциал. Поэтому стоматологи уже оценили перспективу их применения в протоколе лечения не только кариозных поражений зубов, но и гиперестезии дентина. Гидродинамическая теория чувствительности гласит, что передача болевых импульсов вызывается упругой деформацией при движении жидкости дентинных трубочек, поэтому все существующие в настоящее время методы лечения гиперестезии твердых тканей зубов направлены на запечатывание обнаженных дентинных канальцев — «входных ворот» болевого ощущения. В 2018 г. группой турецких ученых было исследовано 40 дентинных дисков, полученных из удаленных зубов [29]. Из них 20 использовались для анализа обтурационной способности нанопрепарата, 20 — в качестве контроля. Образцы обрабатывались 10% суспензией синтетического наногидроксиапатита в дистиллированной воде, 1%, 2% и 3% нанофторапатитом и были изучены методами инфракрасной спектроскопии и растровой электронной микроскопии. Все перечисленные препараты с размерами частиц от 200 до 400 нм оказались способны эффективно закрывать просвет дентинных трубочек и оставаться стабильными даже после четырехнедельной экспозиции экспериментальных дисков в изотоническом растворе натрия хлорида при температуре человеческого тела. Сходные результаты продемонстрировал и наногидроксиапатит, полученный из отходов яичной скорлупы [30] — перспективный материал для регенеративных вмешательств в челюстно-лицевой области [31]. Свою нишу в решении вопроса об окклюзии дентинных трубочек могут занять и материалы на основе биоактивного стекла и наночастиц мезопористого кремнезема [32, 33].

Мезопористый кремний — это сотообразная структура, которая характеризуется наличием полостей или каналов диаметром от 2 до 50 нм. В целом эти наночастицы обладают большой удельной поверхностью с упорядоченной системой пор, высокой биосовместимостью и представляют интерес с точки зрения создания своеобразных «умных» материалов, способных хранить и локально высвобождать активные субстанции, постепенно разлагаясь в физиологическом диапазоне pH путем гидролиза связей Si—O. Они пришли в стоматологию из трансплантологии, травматологии и восстановительной хирургии [34]. Сравниваются и обсуждаются коллоидный метод, биомиметический и темплатный синтезы — основные золь-гель-способы получения моноразмерных наночастиц кремнезема [35].

В 2018 г. было опубликовано исследование китайских ученых, включивших модифицированные хлоргексидином мезопористые частицы кремнезема в состав дентинного адгезива. Полимеризованные светом галогеновой лампы, экспериментальные образцы располагались на биопленке S. mutans. Конфокальное лазерное сканирование наглядно продемонстрировало уменьшение количества живых бактерий, флуоресцирующих зеленым цветом, и увеличение массы флуоресцирующих красным цветом мертвых организмов [36]. С 2016 г. известен биокомпозитный материал на основе мезопористого кремнезема с наночастицами гидроксиапатита [37]. Потенциально он может использоваться в клинике для закрытия участков обнаженного дентина, например, при клиновидных дефектах. Растворы, содержащие частицы мезопористого силиката кальция, инкорпорированные наночастицами серебра, могут использоваться в качестве дезинфектантов для корневых каналов при эндодонтическом лечении зубов [38].

В 2018 г. был синтезирован и предложен в качестве нового наполнителя для стоматологических композитов поликатионный функционализированный наноалмаз. Благодаря повышенной силе отталкивания между наночастицами и высокой совместимости с полимерной матрицей он равномерно диспергируется в армированных смолах, что позволяет более эффективно переносить напряжение и деформации [39].

С 2013 г. ведется работа по созданию «бесшовных» композитных материалов на основе нанопористых алюмосиликатных наполнителей. В таких материалах структурное единство композита обеспечивается не за счет химической связи матричного полимера и наполнителя через силант, а с помощью собственных полимерных «рукавов», проходящих через многочисленные поры [40]. Кроме того, такие материалы можно дополнительно «нагрузить» биологически активными веществами, например, наночастицами серебра [41]. В литературе описано как минимум 3 механизма реализации такого подхода на практике: заполнение пор заранее синтезированными частицами путем импрегнации в растворе, химический метод (последовательная обработка анодно-пористого глинозема нитратом серебра, аммиаком и ацетальдегидом) с прокаливанием при температуре 500 °C или выпариванием остатка на водяной бане. Во всех случаях присутствие серебра было доказано энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией. Пролонгированное выделение ионов металла продолжалось в течение 15 ч, проведенных в фосфатном буфере.

В целом наночастицы серебра используются при промышленном производстве композитов с начала 10-х годов XXI века. Малые размеры позволяют им, с одной стороны, занимать в материале значительную массовую и объемную доли, с другой — предотвращать появление поверхностных дефектов в композитном конгломерате при высвобождении частиц в окружающую среду. Ионы серебра взаимодействуют с клеточной мембраной микроорганизмов, ингибируют ферментативную систему дыхательной цепи и изменяют конформацию ДНК, нарушая процессы ее репликации [42, 43]. По другим данным, серебро переводит бактерии в так называемое состояние non-culturable, при котором клетки сохраняют нормальную метаболическую активность, но теряют способность делиться [44].

Добавление наноструктурного серебра наряду с введением производных кальция и фосфора является одним из самых распространенных методов совершенствования композитных матриц [45]. «Серебряной» модификации подвергаются и пломбировочные материалы других групп, например, классические и гибридные стеклополиалкенатные цементы [46]. По данным A. Porenczuk и соавт. (2016) [47], примесь металла не оказывает отрицательного влияния на прочностные свойства пломбировочных материалов. Необходимы исследования, которые или подтвердят, или окончательно опровергнут гипотезу о негативном влиянии частиц серебра на процессы полимеризации композитных материалов в клинике.

Известен опыт введения частиц серебра в базисные пластмассы съемных протезов — для профилактики протезного стоматита, в том числе грибкового происхождения [48]. Предпринята попытка добавить этот металл к МТА — минералтриагрегату, используемому в эндодонтии [49], композитному цементу двойного отверждения RelyX [50]. Другой комплексный нанопрепарат, содержащий хитозан, серебро и фтор, призван заменить существующие составы для «серебрения» временных зубов, которое многими специалистами воспринимается как устаревший метод лечения. Клинические испытания, проведенные на 130 зубах, показали, что аппликация нового экспериментального состава позволяет добиться стабилизации кариозного процесса, что важно, не окрашивает твердые ткани в темный цвет [51]. Наночастицы серебра в комбинации с гелем алоэ были использованы даже при лечении язв слизистой оболочки полости рта, полученных у мышей в результате комбинированного лучевого поражения [52]. Группой турецких исследователей разрабатываются мукоадгезивные флуконазол-хитозановые нанокомпозиции. Это позволит проводить более эффективное местное лечение кандидоза полости рта — самого распространенного заболевания слизистой оболочки [53]. Иранские исследователи создали ополаскиватель для полости рта на водной основе, содержащий наночастицы оксида титана, оксида цинка и оксида меди [54].

За пределами терапевтической стоматологии металлы используются для создания противомикробных покрытий титановых имплантатов, способствующих, кроме прочего, их остеоинтеграции и пролиферации костных клеток. Нанесение металлических частиц проводится в том числе методом анодного искрового напыления [55]. Активно практикуются способы многоступенчатого синтеза. Так, кристаллы гидроксиапатита, выращенные на титане методом катодно-электролитического синтеза, использовались в качестве катода для электрохимического восстановления ионов Cu²⁺ до частиц Cu⁰. Найдены такие условия реакции, при которых формируются наноразмерные частицы Cu⁰. Известно, что антибактериальные свойства меди используют даже на водоочистных сооружениях [56] — in vitro подобное многофункциональное покрытие продемонстрировало эффективность против культур Escherichia coli и Staphylococcus aureus [57]. В настоящее время антибактериальные свойства меди и ее соединений интересуют ортодонтов, так как фиксация несъемной аппаратуры способствует накоплению пищевых остатков и формированию зубной бляшки, являясь весомым фактором риска развития кариозного процесса под брекет-замком. С целью прерывания этой патологической цепочки в фиксирующий композит Transbond XT были добавлены наночастицы оксида меди CuO [58]. Эта модификация добавила адгезиву антимикробный эффект, подтвержденный экспериментом по методу «диффузии в агар», и при этом не оказала отрицательного влияния на прочность связи с тканями зуба. В то же время инкорпорация наночастиц оксида титана [59] в высоких концентрациях несколько ослабила механические свойства цемента. Существуют «мультиагентные» ортодонтические цементы, содержащие DMAHDM и наночастицы аморфного фосфата кальция [60]. Оксид меди наряду с оксидом цинка и наносеребром успешно используется для покрытия самих брекетов, ортодонтических дуг и микроимплантатов [61—64].

В последних публикациях ученых из Центральной Шанхайской лаборатории стоматологии фигурирует метод плазменной иммерсионной ионной имплантации серебра [65, 66]. Модифицированные таким образом титановые имплантаты, используемые уже в практике хирургической стоматологии, были размещены в нижних челюстях собак-лабрадоров. Гистоморфометрический анализ продемонстрировал повышенное новообразование костной ткани, высокую минеральную плотность кости и четкий трабекулярный рисунок вокруг имплантатов [65]. Группой китайских ученых было выяснено, что наночастицы серебра способствуют остеогенной дифференцировке фибробластов периодонтальной связки человека за счет увеличения уровня экспрессии активного гена RhoA [67].

В одном из исследований аналогичное покрытие делалось и на внутренней поверхности имплантата. После погружения собранных систем имплантант—абатмент в отвар декстрозы Сабуро, инкубации и последующей разборки из шахт имплантатов брали мазок для определения степени грибкового загрязнения. Выявленное статистически значимое снижение колонизации C. albicans в экспериментальной группе свидетельствует, что наночастицы серебра ингибировали рост грибов внутри имплантатов [68]. Британские ученые исследовали также наночастицы диоксида титана и оксида кремния, однако в эксперименте они проявили ограниченный эффект по сравнению с серебром, превосходящим даже «золотой стандарт» антисептиков — хлоргексидин [69].

Исследование, подтверждающее, что наноструктурированное покрытие из благородных металлов (палладия, золота и серебра) способствует остеоинтеграции имплантата и его повышенной инфекционной устойчивости, было опубликовано группой шведских ученых еще в 2013 г. [70]. Выяснилось, что даже такой инертный металл, как золото, обладает противомикробным потенциалом — стоит лишь уменьшить его размеры до 2 нм [71].

В целом модификация поверхности имплантатов — один из наиболее перспективных путей улучшения их интегративных свойств. Образование сложной поверхностной структуры предоставляет наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности остеопродуцирующих клеток: их адгезии, пролиферации, дифференцировки и дальнейшего функционирования [72]. Путем электролитического плазменного окисления создаются комбинированные, микро- и наноструктурированные поверхности, которые впоследствии могут быть заселены активными частицами [73].

За последнее десятилетие широкое распространение в мире ортопедической и хирургической стоматологии приобрел оксид циркония. С развитием CAD-CAM-технологий и наметившимся переходом профессии в «цифровую» эру специалисты стали обращать внимание не только на физические и манипулятивные, но и на биологические свойства этого материала. Благодаря своей устойчивости к коррозии, наночастицы диоксида циркония применяются в качестве основного компонента инновационных биокерамических имплантатов. В настоящее время их приживаемость после года эксплуатации составляет почти 100%, уровень рецессии десны незначителен, а способность к адгезии биопленки находится на одном уровне или ниже по сравнению с естественными зубами [74, 75]. В целом это снижает риск развития периимплантита и мукозита [76]. Циркониевые имплантаты дополнительно стабилизируются иттрием [77], модифицируются наночастицами серебра [78], покрываются биоактивным стеклом методом вакуумного золь-пропитывания [79].

Частицы оксида циркония используются и в качестве покрытия традиционных титановых хирургических конструкций, причем во всех областях медицины [80]. Наноструктурированная поверхность, созданная на имплантатах путем ионного пучкового или электрофоретического осаждения, способствует более быстрому созреванию костной ткани [81]. В отношении противомикробной активности, по некоторым данным, диоксид циркония несколько уступает окиси титана [82, 83]. В свою очередь нанокомпозитное покрытие действует как барьерный слой против коррозии, предотвращая выщелачивание ионов металлов из основного сплава [84]. Однако в этом случае во главе угла становится проблема прочности сцепления титанового корпуса и композитного «панциря». Однако в последнее время появляются публикации, в которых отмечается токсическое действие наночастиц оксида циркония, способных в высоких концентрациях индуцировать окислительный стресс, апоптоз и морфологические изменения в клетках. Правда, в одном из исследований подобное действие наблюдалось на клеточных культурах при концентрации наночастиц выше 10 мкг/мл [85], а в другом — после непосредственных однократных инъекций такого раствора в селезенку, почки и головной мозг [86]. Кто прав, как интерпретировать подобные факты и что с этими данными делать дальше — покажет только время и дальнейшее прицельное изучение патогистохимических процессов.

Таким образом, буквосочетание «нано» должно перестать удивлять современного стоматолога. Еще в начале XXI века нанотехнологии были относительно новой страницей интеллектуального романа-эпопеи, который пишет человечество. Сегодня активно происходит интеграция фундаментальных теоретических знаний в прикладные области науки и техники, а наноматериалы становятся привычным атрибутом ежедневной стоматологической практики.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.