THE INVESTIGATION INTO TOXIC AND HYGIENIC PROPERTIES OF DENTAL MATERIALS MODIFIED WITH SILICON AND SILVER NANOPARTICLES

Abstract

The objective of the present work was to study toxic and hygienic properties of dental materials modified with silicon and silver nanoparticles. The biocompatibility of these materials was estimated in experiments carried out on 150 white rats.

Full Text

Одним из перспективных направлений в стоматологическом материаловедении последних лет является разработка отечественных материалов, обладающих комплексом улучшенных или новых свойств. К ним относятся новейшие типы материалов, такие как наноцементы, полимерные нанокомпозиты и нанополимеры, которые могут быть использованы не только в ортопедической стоматологии, но и в других разделах стоматологии [9]. Наноструктурированные материалы чрезвычайно перспективны. На сегодняшний день особый интерес вызывают пористые наночастицы, которые состоят из элементов, входящих в состав организма. Такие наноматериалы обычно не вызывают аллергических реакций. Они потенциально могут быть расщеплены и выведены из организма, и в порах этих материалов можно разместить, например, серебро, которое в ионном виде оказывает бактерицидное, противовирусное, выраженное противогрибковое и противовирусное действие и служит высокоэффективным обеззараживающим средством в отношении патогенных микроорганизмов, вызывающих острые инфекции [5, 8]. Актуальной научной задачей является разработка био-совместимых, высокопрочных и высокотехнологичных нанопластмасс для базисов съемных пластиночных протезов, а также наноцементов для фиксации несъемных стоматологи- Каливраджиян Эдвард Саркисович - д-р мед. наук, проф., зав. каф., 8 (473) 253-00-05 ческих конструкций. Существуют два основных направления разработки материалов - создание новых высокотехнологичных материалов и модификация хорошо зарекомендовавших себя недорогих, но не менее эффективных материалов. Наноразмерные частицы пористого кремния в виде различных соединений входят в состав лекарственных и косметических препаратов. Нанокремний, стимулируя процессы пролиферации и регенерации, ускоряет обновление эпидермиса и восстанавливает функции клеток дермы - фибробластов [8]. В воде кремний подавляет бактерии, вызывающие брожение и гниение, осаждает тяжелые металлы, нейтрализует хлор, адсорбирует радионуклиды. Биоактивные наноразмерные частицы кремния могут проникать в глубокие слои кожи, очищать их и обеспечивать защиту, сохраняя естественную проницаемость и дыхательную способность кожи. Однако системная токсичность наноразмерных частиц кремния для животных и человека изучена недостаточно. Широта спектра применения кремния ставит их на одно из первых мест в списке наночастиц, требующих детального изучения его биологических свойств [2, 8]. Данная работа посвящена исследованию свойств цинк-фосфатных и акриловых композиций, модифицированных наноразмерными частицами кремния и серебра. Материал и методы Цинк-фосфатные цементы используются в ортопедической стоматологии для фиксации несъемных конструкций 9 РОССИЙСКИЙ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, №1, 2012 Таблица 1. Распределение животных по группам Группа Экспериментальные животные (белые крысы-самцы) Количество животных (белых крыс-самцов) 1-я Контрольная 2-я Животные с внутримышечными имплантатами из акрилового полимера "Фторакс" 3-я Животные с внутримышечными имплантатами из акрилового полимера модифицированного на-норазмерными частицами кремния 4-я Животные с внутримышечными имплантатами из цинк-фосфатного цемента, модифицированного на-норазмерными частицами кремния 5-я Животные с внутримышечными имплантатами из цинк-фосфатного цемента "Висцин" 30 30 30 30 30 уже более 100 лет и за этот период зарекомендовали себя с положительной стороны благодаря простоте использования, легкости замешивания, достаточным прочностным показателям, хорошей текучести, механической адгезии и низкой стоимости. Однако с развитием современных технологий, появлением новых фиксирующих материалов и возросших к ним требований - постоянства объема, хорошей совместимости с тканями зуба, металлами, пластмассами, фарфором, диоксидом циркония и оксидом алюминия, отсутствия раздражения дентина и пульпы - применение цинк-фосфатных материалов снизилось [1]. Мы провели анализ физико-механических свойств цинк-фосфатного цемента для фиксации несъемных конструкций зубных протезов, модифицированного нано-размерными частицами кремния. В качестве исследуемого материала был выбран цинк-фосфатный цемент «Висцин» производства «Радуга-Р», имеющий стандартную рецептуру. Этот материал был модифицирован путем добавления к его порошку наноразмерных частиц кремния. Нанокремний был получен из пористого кремния при его ультразвуковой обработке. Размер частиц и состав модифицирующей добавки были подтверждены соответственно электронной микроскопией и инфракрасной спектрографией, выполненными на базе Центра коллективного пользования Воронежского государственного университета. На кафедре ортопедической стоматологии ВГМА им. Н. Н. Бурденко разработана акриловая композиция, которая представляет собой мелкодисперсный, окрашенный в розовый цвет порошок, являющийся суспензионным и привитым Спектрограммы исследуемых образцов: верхняя - исходный материал, нижняя - модифицированный материал. сополимером метилового эфира метакриловой кислоты и жидкость, содержащую сшивагент - демитакриловый эфир дифенолопропана. В порошок добавлены наноразмерные частицы кремния в объеме 0,1%. Для повышения эффективности ортопедического лечения съемными протезами нами использован метод серебрения порошка полимера. Полимеризация осуществлялась на водяной бане при 100°С [3]. Изучение основных физико-механических свойств акрилового полимера, модифицированного наноразмерными частицами кремния, проводилось по методике ГОСТ Р 51889-2002. Предел прочности на разрыв, изгиб и модуль упругости определяли на разрывной машине с постоянной скоростью траверсы (5 ± 1 мм/мин). Были проведены токсико-гигиенические, физикохимические исследования свойств образцов наномодифи-цированных композиций для оценки их биосовместимости. Выполнен хронический эксперимент на 150 белых крысах-самцах с массой тела 210 ± 5 г, которым под внутрибрюшин-ным наркозом тиопентал натрия (30 мг/кг) внутримышечно в область бедра были имплантированы образцы цинк-фосфатного цемента, модифицированного наноразмерными частицами кремния, базисного акрилового полимера «Фто-ракс» и акрилового полимера, модифицированного наночастицами кремния. Животные в ходе эксперимента были распределены на группы (табл. 1). Через 7, 14, 21 сут и 1, 3, 6 мес по 5 крыс из каждой группы подвергали эвтаназии (под наркозом, путем кровопускания) согласно ГОСТ Р ИСО 10993.1-99. После вскрытия осматривали полости груди и живота, оценивали макроскопические изменения внутренних органов и тканей. Для сохранения чистоты эксперимента исключали животных с пневмонией, паразитарной инвазией и выраженными патолого-анатомическими изменениями внутренних органов. Для получения значимых патоморфологических изменений экспериментальный материал фиксировали в 10% нейтральном формалине, ткани органов после уплотнения и обезвоживания заливали парафином, срезы окрашивали гематоксилином Караци и эозином для обзорной микроскопии и пикрофуксином по Ван-Гизону для исследования соединительнотканных структур. На базе Орловской больницы скорой медицинской помощи им. Н. А. Семашко было просмотрено и проанализировано 720 гистологических препаратов. Определяли весовые коэффициенты внутренних органов и взвешивали их на торсионных весах. Исследовали показатели морфологического состава периферической крови: количество лейкоцитов, эритроцитов, тромбоцитов, ретикулоцитов, гемоглобина и СОЭ в разные сроки эксперимента. Результаты и обсуждение При инфракрасной Фурье-спектроскопии зарегистрированы изменения, возникающие в ходе реакции кристаллизации при модификации цинк-фосфатного цемента нанораз-мерными частицами кремния. Согласно спектрограмме (см. рисунок), в образцах исследуемого нового материала образовывалось большее количество связанной воды по сравнению с исходным материалом. В области волновых чисел в диапазоне от 600 до 620 см-1 на графике модифицированного материала появляется пик, который может соответствовать образованию силикофосфатного геля. При модификации цинк-фосфатного цемента нанораз-мерными частицами кремния в соотношении 0,06% по массе к порошку происходили наибольшие положительные изменения в кристаллизованном состоянии по сравнению с исходным материалом: возрастала прочность на сжатие на 15%, увеличивались сила адгезии к дентину зуба в 2,5-3 раза и общее время твердения, а следовательно, и рабочее время на 20-40 с, уменьшалась величина экзотермической реакции на 2,5-3°С [4]. 10 экспериментально-теоретические исследования Таблица 2. Физико-химические свойства модифицированного и немодифицированного акрилового полимера Показатель Акриловый полимер Модифицированный акриловый полимер Предел прочности при разрыве, МПа 71 78 Модуль упругости, МПа 2040 2085 Прочность при изгибе, МПа 67 72 Показатель трещиностой- 1.2 1.4 Полученные результаты физико-механических исследований дали основание говорить об улучшении основных физико-механических свойств акрилового полимера, модифицированного наноразмерными частицами кремния, по сравнению с акриловым полимером (табл. 2). Проведенные нами токсико-химические исследования продемонстрировали новый эффект: наноразмерный кремний обеспечивает более глубокую степень полимеризации акриловых пластмасс и полностью блокирует остаточный мономер, который является основным токсическим агентом. Анализ показателей динамики массы тела у интактных и подопытных белых крыс свидетельствует о том, что после внутримышечной имплантации образцов цинк-фосфатного и модифицированного цемента, полимера «Фторакс» и модифицированного наноразмерными частицами кремния акрилового полимера масса тела животных в разные сроки наблюдения не различалась. Данные представлены в табл. 3. Температура тела подопытных животных после внутримышечной имплантации образцов акрилового полимера и модифицированного наноразмерными частицами кремния акрилового полимера также существенно не менялась на протяжении всего эксперимента. После оперативного вме шательства у подопытных животных отмечалось повышение ректальной температуры до 38,2-38,3°С по сравнению с 38°С у контрольных животных, что было связано с реакцией на травму. Однако к 14-м суткам температура тела снизилась до 38-38,1°С и оставалась в пределах физиологической нормы до конца эксперимента. В табл. 4 показана динамика температуры тела контрольных и подопытных животных - белых крыс в разные сроки хронического эксперимента. Анализ весовых коэффициентов сердца, печени, левой и правой почек подопытных животных показал, что они существенно не отличались от весовых коэффициентов у контрольных животных. На основании исследований периферической крови сделан вывод о том, что количество эритроцитов, тромбоцитов, гемоглобина после имплантации образцов медицинских полимеров существенно не изменялось и находилось в пределах физиологической нормы до конца эксперимента. В печени гепатоциты расположены балками, радиально, не имеют базальной мембраны, интимно контактируют с синусоидами, балки ограничивают желчный капилляр. Хорошо выражены центральные вены, портальные тракты с умеренным склерозом вокруг «триад». Почки с рыхлой соединительнотканной стромой, слаборазвитым интерстицием в корковом веществе и состоящим из тонких ретикулярных волокон в мозговом веществе, ретикулярные волокна более утолщены и расположены параллельно канальцам и сосудам. Клубочки с наружным листком капсулы, который представлен одним слоем плоских и низких кубических эпителиальных клеток, висцеральным листком, образованным крупными клетками. Сердце с поперечнополосатыми мышечными волокнами, кардиомиоцитами, которые, контактируя между собой, образуют функциональные мышечные волокна, залегающие послойно. Эпикард образован тонкой пластинкой соединительной ткани, плотно срастающейся с миокардом. В некоторых участках глубокий коллагеновый слой отсутствует или сильно разрыхлен. Эндокард выстлан эндотелием, состоящим Таблица3. Динамика массы тела (в кг) экспериментальных животных Срок наблюдения Группы наблюдения контрольная животные с внутримышечными имплантатами из акрилового полимера животные с внутримышечными имплантатами из полимера, модифицированного наноразмерными частицами кремния 7 сут 211,39 ± 4,9 221,4 ± 5,5 211,39 ± 5,27 14 сут 225 ± 3,57 232,2 ± 2,77 224,8 ± 2,58 21 сут 240 ± 3,96 239,6 ± 4,33 240 ± 5,58 1 мес 254,8 ± 2,38 254,2 ± 2,38 254,8 ± 2,86 2 мес 282,6 ± 2,4 283,79 ± 2,58 283,3 ± 2,3 3 мес 308,39 ± 2,3 310,2 ± 2,28 311,2 ± 1,92 6 мес 343,6 ± 3,2 345,39 ± 1,34 343 ± 2,64 Примечание. Здесь и в табл. 4: в каждой группе и в любой срок использовали по 5 животных (n = 5). Различия между контрольной и опытными группами статистически недостоверны (р > 0,05). Таблица 4. Динамика температуры тела (в °С) экспериментальных животных - белых крыс Срок наблюдения Группы наблюдения контрольная животные с внутримышечными имплантатами из акрилового полимера животные с внутримышечными имплантатами из полимера, модифицированного наноразмерными частицами кремния 7 сут 38,1 ± 0,05 38,16 ± 0,05 38,16 ± 0,05 14 сут 38,10 ± 0,44 38,18 ± 0,044 378,16 ± 0,02 21 сут 38,02 ± 0,01 38,14 ± 0,054 38,12 ± 0,024 1 мес 38,04 ± 0,05 38,12 ± 0,04 38,06 ± 0,05 2 мес 38,02 ± 0,04 38,08 ± 0,88 38,1 ± 0,07 3 мес 38,0 ± 0,04 38,04 ± 0,05 38,04 ± 0,05 6 мес 38,02 ± 0,04 38,06 ± 0,05 38,06 ± 0,05 11 РОССИЙСКИЙ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, №1, 2012 из полигональных клеток, глубже расположен мышечноэластический слой, в котором эластические волокна переплетаются с гладкими мышечными клетками. Селезенка имеет типичное гистологическое строение. Белая пульпа представлена лимфатическими фолликулами с эксцентрично расположенными центральными артериями. Центральная часть фолликулов выглядит светлой (реактивный центр, или центр размножения). Красная пульпа состоит из многочисленных кровеносных сосудов синусоидного типа с селезеночными и пульпарными тяжами с выраженным полнокровием. Мягкие ткани представлены поперечнополосатыми мышечными волокнами, образующими пучки, располагаясь в них параллельными рядами окруженной снаружи жировой тканью. Выводы 1. При модификации цинк-фосфатного цемента нано-размерными частицами кремния в соотношении 0,06% по массе к порошку происходят наибольшие положительные изменения в кристаллизованном состоянии по сравнению с исходным материалом, а именно: возрастает прочность на сжатие на 15%, увеличивается сила адгезии к дентину зуба в 2,5-3 раза, уменьшается величина экзотермической реакции на 2,5-3°С, увеличивается общее время твердения, а следовательно, и рабочее время на 20-40 с. 2. Экспериментальные исследования по изучению модифицированных полимерных материалов свидетельствуют об улучшении показателей прочности, повышении трещино-стойкости, а также о наличии остаточного мономера. 3. Результаты исследований по изучению фиксирующих и полимерных материалов, модифицированных наночастицами кремния, указывают на их потенциально лучшую биосовместимость.