Практическая разработка наночастиц гидроксилапатита стронция для профилактики и лечения повышенной стираемости зубов

УДК 616.314-001.4 -084-08

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА НАНОЧАСТИЦ ГИДРОКСИЛАПАТИТА СТРОНЦИЯ ДЛЯ ПРОФИЛАКТИКИ И ЛЕЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ СТИРАЕМОСТИ ЗУБОВ И.М. Ткаченко

ВГУЗ Украины «Украинская медицинская стоматологическая академия»

Резюме

Описывается метод для получения наночастиц на основе стронция гидроксилапатита для профилактики и лечения повышенной стираемости зубов. Минимальный размер первичных частиц с высокой степенью агрегации и проникновения наночастиц в кристаллической решетке зубной эмали, которой предусмотрено увеличение плотности слоя эмали для эффективности лечения и профилактики повышенной стираемости зубов.

На основе предложенного метода разработан протокол исследования образцов зубов с повышенной стертостью зубов, чтобы оценить проникновение и фиксацию наночастиц на поверхности эмали зубов. Использование предложенного метода в стоматологической практике позволит повысить эффективность лечения и профилактики повышенной стираемости зубов за счет включения в комплексное лечение в виде аппликаций, мазей и гелей.

Ключевые слова: получение, наночастицы на основе

гидроксилапатита стронция, повышенная стираемость.

Summary

The article describes a method for obtaining nanoparticles based on strontium hydroxyapatite for the prevention and treatment of increased dental abrasion. The minimal size of the primary particles with a high degree of aggregation and the penetration of nanoparticles into the crystal lattice of the tooth enamel which is provided by increasing of the enamel layer density

promote the effectiveness of treatment and prevention of increased dental abrasion.

On the basis of the proposed method the research protocol of teeth samples with increased abrasion is designed to assess the penetration and fixation of nanoparticles on the surface of the tooth enamel. The usage of the proposed method in the dental practice will improve the effectiveness of treatment and prevention of high teeth abrasion due to inclusion the applications, ointments and gels into the complex treatment.

Key words: obtaining, nanoparticles based on strontium hydroxyapatite, increased dental abrasion.

Литература

1. Альперович Г.Л. Стронций в зубах, костях, слюне в условиях физиологии и патологии: автореф. дис. на соискание научн. степени канд. мед. наук: спец. 14.771 "Стоматология" / Г.Л. Альперович. - Пермь, 1971. -16 с.

2. Вербовая А.Ф. Показатели фосфоро-кальциевого обмена и плотность костной ткани в работающих на производстве фосфора / htth :// o steoporo sis-rus.webzone .ru/pagenew3 .htm.

3. Гусев А. И. Нанокристаллические материалы / А.И. Гусев, А. А. Ремпель. - М.: Физматлит, 2000. - 224 с.

4. Николаенко С.А. Исследование биомиметического формирования апатита но поверхности дентина / С.А. Николаенко, В. Лобауэр, М. Ципперле // Стоматология. - 2007. -№ 6. - С. 20-25.

5. Торопцова Н. В. Стронция ранелат в лечении остеопороза: доказательства эффективности / В. Торопцова, Т. А. Короткова // Научнопрактическая ревматология.- 2010. - № 1. - С. 19-24.

6. Третьяков Ю.Д. Влияние анионов NO3, CH3COO, Cl на морфологию кристаллов гидроксилапатита кальция / Ю.Д. Третьяков, А.А. Степук, А.Г. Вересов // Доклады академии наук. - 2007.- Т.412, № 2. - С. 211-215.

7. Gleiter H. Nanostruct. Mater / H. Gleiter - 1992. - Vol. 1. - Р. 1. Siegel R.W. Nanostruct. Mater. / R.W. Siegel. - 1993. - Vol. 3. - № 1-6. - Р. 1.

8. Liu H. Efficacy of a commercial dentifrice containing 2% strontium chloride and 5% potassium nitrate for dentin hypersensitivity: a 3-day clinical study in adults in China / Liu H., Hu D. // Clin. Ther. - 2012 Mar; 34 (3) :614-22. Epub 2012 Mar 3.PMID: 22385928 [PubMed - in process].

9. Parkinson CR. A comparative in vitro study investigating the occlusion and mineralization properties of commercial toothpastes in a four-day dentin disc model / Parkinson C.R., Willson R.J. // J. Clin Dent. - 2011; 22 (3) :74-81. PMID: 21905401 [PubMed - indexed for MEDLINE].

10. Clinical efficacy in reducing dentin hypersensitivity of a dentifrice containing 8,0% arginine, calcium carbonate, and 1450 ppm fluoride compared to a dentifrice containing 8% strontium acetate and 1040 ppm fluoride under consumer usage conditions before and after switch-over / Schiff T., Mateo L.R., Delgado E. [et al. ]// J. Clin. Dent. - 2011; 22 (4) :128-38. PMID: 22403989 [PubMed - indexed for MEDLINE].

11. Пат. RU 2409392, МПК A61L27/00, B82B3/00. Способ создания наночастиц в биоцементе - гидроксилапатите / Государственное учебнонаучное учреждение Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (RU), Третьяков Ю.Д., Кузнецов В.И., Коршунов А.Б., Путляев В.И., Голубцов И.В., Иванов А.Н., Ковальков В.К. (RU).-№ 2009111398/15; заявл. 30.03. 09; опубл.20.01.11.

Современная стоматология уделяет пристальное внимание возможности восстановления структуры эмали, потерянной за счет функции, а также профилактике ее потери или приостановке патологического процесса на уровне его обнаружения [3]. Наиболее часто для этого применяют различные стоматологические пломбировочные

материалы, которые обладают повышенной прочностью и адгезией к тканям зуба. Но их применение требует предварительной подготовки эмали и дентина в виде препарирования, что нарушает целостность зуба и в целях профилактики не является достаточно обоснованным. В связи с этим становится актуальным вопрос о возможности создания специальных соединений, которые имели бы возможность повысить резистентность эмали к механическим нагрузкам, не нарушая целостности эмали на этапах первичной профилактики.

В большинстве случаев изучается возможность в экспериментальных условиях биомиметического роста кристаллов на поверхности зуба при различных способах его обработки [4]. Основная трудность заключается в невозможности соединения и проникновения предлагаемых материалов в эмаль с целью ее упрочнения. В качестве материала для лечения повышенной стираемости зубов мы предлагаем использовать наночастицы [3]. Уменьшение частиц до нанометровых размеров приводит к проявлению в них так называемых «квантовых размерных эффектов», и новые возможности материала обусловлены как особенностями отдельных частиц, так и коллективными действиями, которые зависят от характера взаимодействия между ними и исследуемым образцом.

Оценивая микроэлементы, которые мы имеем возможность применять в стоматологической практике, мы обратили внимание на такой элемент как стронций. Стронций является активным агентом для повышения плотности зубной эмали. Довольно часто соли стронция используют в качестве компонентов зубных паст и ополаскивателей полости рта [7-10]. Установлена прямая связь между возрастом, повышенной стираемостью, обмена стронция в зубах и проникновения его из слюнных желез [1]. Эту особенность стронция используют в синтезе новых лекарственных веществ на основе стронция ранелата, который стимулирует образование кости в культуре костной ткани, а также

репликацию предшественников остеобластов и синтез коллагена в культуре костных клеток [2,5].

Учитывая то, что при получении наночастиц стронция на основе гидроксилапатита мы можем получить структуру с новыми, положительными для нас свойствами, данное направление разработок можно считать актуальным.

Исходя из вышеперечисленного, наночастицы, производные стронция и родственные ионам кальция, по нашему мнению, могут абсорбироваться на поверхности апатита или замещать данным анионом фосфат или гидроксид-ион в решетке гидроксилапатита, встраиваться в эмалевые призмы.

Целью работы было создание производных солей стронция, имеющих различную структуру наночастиц со способностью интеграции в эмалевый слой для изменения свойств эмали зубов.

Методы исследования. Прототипом получения наночастиц стронция стала работа Ю.Д. Третьякова (2007) по методике химического синтеза наночастиц с гидроксилапатитом кальция [6]. В качестве стронцийсодержащей соли в нашей работе были использованы нитрат, хлорид и ацетат стронция.

Предложенный способ получения наночастиц гидроксилапатита стронция Sr10(PO4)6(OH)2 для профилактики и лечения повышенной стираемости зубов выполняют следующим образом по схеме:

10SrX2 + 6К2НРО4 + 8KOH = Sr10(PO4) 6(ОН)2| +20КВ + 6Н2О.

Полученный осадок растирали в агатовой ступке. Для перевода остатков аморфной фазы гидроксилапатита стронция в кристаллическую порошок выжигали в муфельной печи при температуре 500°С в течение 2 часов. Количество исходных веществ рассчитывали, исходя из соотношения V (Sr) / V (P) = 1,67.

Для установления фазового состава полученного порошка проводили рентгенографическое исследование на дифрактометре ДРОН - 7М при условиях: Cu Ka, U = 30kV, I = 20 mA, 2Q = 0,004 град, D = 3 сек. По данным рентгенофазового анализа при синтезе гидроксилапатита из разных стронциевых солей во всех случаях получали в качестве основного продукта SrГАП. В зависимости от методики получения наночастиц и их производной форма их также отличалась.

Для исследования свойств полученных наночастиц было исследовано 14 зубов с повышенным типом истирания твердых тканей, удаленных по ортопедическим и ортодонтическим показаниям у пациентов от 25 до 45 лет. Все исследования проводили после одобрения комиссии по биоэтике при Украинской медицинской стоматологической академии. Исследования проводили с помощью растрового электронного микроскопа (SEM) "Mira 3 LMU» («Tescan», Чехия) с максимальным разрешением 1 нм и максимальным увеличением 1000000. Элементный состав локального участка определяли с помощью энергодисперсионного спектрометра «X-max 80mm2» («Oxford Instruments», Великобритания), который был интегрирован в растровый электронный микроскоп. Предложенная система исследования позволила определить микроструктуру эмали без традиционной для образцов-диэлектриков процедуры покрытия

поверхности тонким слоем проводящего материала. При исследовании

пользовались разработанной методикой:

1. Протравливание поверхности эмали исследуемых зубов 30% ортофосфорной кислотой с целью очистки поверхностного слоя эмали.

2. Выбор точек для микроанализа и нанесение разработанных наночастиц на поверхность эмали с рабочим временем 5 мин.

3. Промывка и чистка опытных образцов зубной щеткой в течение 2 минут.

4. Химический микроанализ с исследованием поверхности эмали в выбранной зоне и изучение морфологии выбранных участков с целью

выявления наночастиц стронциевого гидроксилапатита на поверхности эмали.

Результаты обсуждения. Выбор данных анионов объясняется довольно значительной растворимостью их в воде. Нитратный анион можно отнести к немодифицированным анионам, так как он не имеет возможности встраиваться в структуру гидроксиалпатита и не склонен к гидролизу. Вопреки этому ацетатный ион гидролизуется и уменьшает кислотность среды, связывает ионы стронция с образованием ионного ассоциата (ионные пары). Хлорид-ион считается модифицирующим и имеет возможность замещать гидроксильные группы в кристаллах гидроксилапатита с образованием стронциевого хлорапатита.

Рис. 1. Рентгенограмма образца гидроксилапатита стронция, полученного из нитрата стронция

Микроструктуру полученного порошка исследовали на сканирующем электронном микроскопе «MIRA 3 Tescan». Анализ образцов показал, что в результате обжига порошка при температурах выше 5000°C размер кристаллов увеличивается. По данным рентгенофазового анализа, при синтезе гидроксилапатита из разных стронциевых солей во всех случаях получали в качестве основного продукта Srf АП.

Таким образом были синтезированы порошки гидроксилапатита с размерами первичных наночастиц 19,8 - 25 нм и с высокой степенью агрегации (рис. 2,3,4).

Обращает на себя внимание разница в морфологии кристаллов стронциевого гидроксилапатита, полученного из нитрата стронция и других солей стронция предложенным способом. Она меняется в зависимости от природы исходных анионов стронциевых солей (хлорид, нитрат, ацетат): пластинки, иглы и равноосные частицы можно объяснить различными видами взаимодействия анионов исходных солей с гидроксилапатитом.

Рис. 2. Микрофотография наночастиц кристаллов стронциевого гидроксилапатита, полученного методом осаждения из хлорида стронция

Рис. 3. Микрофотография наночастиц кристаллов стронциевого

гидроксилапатита, полученного методом осаждения из нитрата стронция

Рис. 4. Микрофотография наночастиц кристаллов стронциевого гидроксилапатита, полученного из хлорида стронция, осажденного оксиэтилиденфосфоновой кислотой

Для дальнейшего изучения свойств полученных наночастиц по

экспериментальному протоколу проводили дальнейшие исследования.

1. Протравливание поверхности эмали исследуемых зубов 30%

ортофосфорной кислотой для очистки поверхностного слоя эмали (рис.5).

5*5^"

Рис. 5. Электронное изображение исследуемой зоны эмали после протравливания 30% ортофосфорной кислотой (образец №7), увеличение

7390х, масштабная метка-10мкм

2. Выбор точек для микроанализа и нанесение разработанных наночастиц на поверхность эмали с рабочим временем 5 мин. (рис.6).

Рис. 6. Электронное изображение исследуемой зоны эмали

3. Образцы после промывки и чистки зубной щеткой в течение 2 минут (рис.7,8).

Рис. 7. Электронное изображение исследуемой зоны эмали (образец № 12, зона 2) с явлениями повышенной стираемости после протравливания

с фиксированными наночастицами стронциевого гидроксилапатита, осажденного из азотистых солей, увеличение 1860х, масштабная метка - 5 мкм

Рис. 8. Электронное изображение исследуемой зоны эмали

Рис.9. Электронное изображение исследуемой зоны эмали (образец № 12, зона 3) с явлениями повышенной стираемости после протравливания с фиксированными наночастицами стронциевого гидроксилапатита,

осажденного из хлорида стронция, увеличение 3120х, масштабная метка-2 мкм

Кроме этого, проводили микроэлементный анализ в указанных зонах с целью выяснения содержания наночастиц стронция на поверхности эмали.

Таким образом, в результате исследования получены наночастицы различной химической структуры (нитратный, ацетатный и хлорид-ион), с различной формой, размерами и возможностью вступать во взаимосвязи с эмалью зубов. В эксперименте после протравливания поверхности эмали и нанесения на ее поверхность разновидностей стронциевого апатита доказано проникновение наночастиц внутрь эмалевых призм, что подтверждается данными точечного микроэлементного анализа.

Выводы. Впервые синтезированы наночастицы на основе кальциевого гидроксилапатита для профилактики и лечения повышенной стираемости твердых тканей зубов (Патент України на корисну модель № 81538 від 10.07.2013. - Бюл. № 13. Спосіб одержання наночастинок гідроксилапатиту стронцію для профілактики і лікування стертості). Включение в структуру кальциевого гидроксилапатита, которым представлена эмаль зуба, наночастиц из стронция позволит повысить плотность эмали и изменить ее химические характеристики за счет увеличения количества стронция в эмали как на этапах профилактики повышенной стираемости, так и на этапах лечебных мероприятий, которые в состоянии, по нашему мнению, повысить резистентность эмали к повышенным функциональным нагрузкам.