Czy szkło może być w pewien sposób aktywne w środowisku biologicznym? Okazuje się, że tak. Szkła o ściśle określonym składzie chemicznym mogą wykazywać bioaktywność, a więc zdolność do modyfikacji powierzchni polegającą na tworzeniu na powierzchni hydroksyapatytu węglanowego pod wpływem oddziaływania płynów fizjologicznych. Co to właściwie oznacza?
Szkła bioaktywne nie są stabilne w środowisku fizjologicznym. Wręcz przeciwnie – powoli rozpuszczają się umożliwiając tym samym wymianę jonów między szkłem i otoczeniem. Procesy te prowadzą do wytrącania się w warstwie powierzchniowej szkła kryształów hydroksyapatytu węglanowego. Struktura hydroksyapatytu węglanowego jest bardzo podobna do hydroksyapatytu (uwodnionego fosforanu wapnia) budującego kości, a to z kolei daje możliwość bezpośredniego połączenia szkła z kością. Ze względu na tę szczególną właściwość szkła bioaktywne znalazły zastosowanie w ortopedii i stomatologii w leczeniu ubytków kostnych. Od pewnego czasu materiały te są też przedmiotem badań inżynierii tkankowej.
„Ojcem”
szkieł bioaktywnych jest prof. Larry Hench. W latach 60 XX w. zajmował się on
właściwościami elektronicznymi szkieł. Podczas jednej z podróży na konferencję
naukową miał okazję porozmawiać z pułkownikiem wracającym z wojny w Wietnamie. Zaintrygowany badaniami nad szkłami odpornymi
na promieniowanie pułkownik zapytał Hencha czy jest w stanie opracować też
materiał odporny na środowisko fizjologiczne. Opowiedział profesorowi o wielu
amputacjach kończyn spowodowanych odrzucaniem ówczesnych implantów, których był
świadkiem podczas wojny. Po powrocie z konferencji Hench przedyskutował ten
problem z lekarzami dochodząc do wniosku, że odrzucenie implantów przez
organizm jest spowodowane odmiennym materiałem tkanek i implantów. Równocześnie
zaproponowano, że skoro kość zawiera m.in. hydroksyapatyt, istnieje szansa, że materiał,
który miałby zdolność do wytwarzania warstwy hydroksyapatytu w warunkach in vivo nie zostałby odrzucony. Tak rozpoczęły
się badania nad szkłami, które mogłyby wykazywać bioaktywność.
Pierwszym
szkłem, dla którego udało się uzyskać satysfakcjonującą bioaktywność było szkło
krzemionkowe o składzie: 45%SiO2
- 24.5%Na2O - 24.5%CaO - 6%P2O5. Szkło
to znane jest dziś pod komercyjną nazwą Bioglass®, a na jego bazie powstało
wiele szkieł o zmodyfikowanych temperaturach zeszklenia czy krystalizacji lub
zmienionej wytrzymałości. Szkło Bioglass® w postaci bardzo drobnych cząstek (90-710µm)
jest używane do wypełnienia ubytków w szczęce będących efektem chorób przyzębia
(Perioglas®), a także w ortopedii (NovaBone®). Ciekawym zastosowaniem
bioszkła jest wykorzystanie go jako składnika pasty do zębów. Producenci pasty
do zębów "Sensodyne Odbudowa i Ochrona" wykorzystali właściwości bioaktywne
bioszkła w celu ochrony nadwrażliwych zębów. Bioszkło pomaga odbudowywać
zębinę, dzięki wspomnianej już możliwości do wytrącania się fosforanu wapnia.
Kolejnym
polem, gdzie można wykorzystać unikalne właściwości szkieł bioaktywnych jest „modna”
ostatnio inżynieria tkankowa. Tutaj bierze się pod uwagę różne typy szkieł –
krzemionkowe, boranowe i fosforanowe. Zasada jest prosta – ze szkła
bioaktywnego wytwarza się porowate rusztowanie, które następnie zasiedla się
komórkami. Rusztowanie takie trafia w miejsce ubytku w kości, gdzie powoli rozpuszcza
się tworząc na powierzchni hydroksyapatyt i łączy z tkanką kostną, równocześnie
będąc też zastępowanym przez wzrastającą tkankę. Efektem jest odbudowany
fragment kości. To oczywiście idealny scenariusz – obecnie szkła bioaktywne są na
etapie badań w takich zastosowaniach.
Hench, L.L. The story of
Bioglass. J. Mate.r Sci. Mater. Med. 2006, Tom 17, strony 967-978.
Jones, J.R. Review of
bioactive glass: From Hench to hybrids. Acta Biomaterialia. 2013, Tom 9,
strony 4457-4486.
http://www.dlazdrowia.pl/farmacja/1124,artykul,novamin-stomatologiczna-rewolucja.html
