Na Fakultě strojní Technické univerzity v Liberci realizují zajímavý výzkum zaměřený na oblast stomatologie. Ukazuje, jak mohou celulózová vlákna a biogenní oxid křemičitý z rýžových slupek přispět ke stabilnějším bílým zubním výplním.
Liberečtí vědci se mimo jiné zaměřují i na nové materiály pro dentisty a optimalizaci mechanických vlastností stávajících materiálů. Docentka Dora Kroisová z katedry obrábění a montáže, která se dlouhodobě zabývá bionikou, přišla s perspektivním řešením na zlepšení bílých zubních výplní s použitím celulózových vláken rýžových slupek. Její návrh využívá principy vyztužování kompozitů vláknovými systémy. Ve své disertační práci, pod jejím vedením jako školitelky, pak tato vlákna zpracoval a experimentálně ve své liberecké laboratoři prověřil zubní lékař MUDr. Rawaa Yahya.
Problém současných výplní — krátkodobá stabilita
Bílé zubní výplně jsou dnes běžnou součástí moderní stomatologie a pacienti je vnímají především jako estetickou náhradu tmavších kovových výplní. Z pohledu materiálového inženýrství se však jedná o kompozitní systém, který musí ve formě výplně odolávat vlhkosti, změnám teplot, náhlým změnám chemického prostředí v dutině ústní i každodennímu mechanickému namáhání. Nestačí tedy, aby zubní výplň po zhotovení dobře vypadala. Musí si dlouhodobě udržet pevnost, tvrdost, objemovou stabilitu a přilnavost k tvrdým tkáním zubu.
„Právě stabilita patří k problémům, které současný vývoj dentálních materiálů stále řeší. Pokud se výplňový materiál v čase smršťuje, mění objem nebo reaguje na teplotní změny výrazně jinak než okolní zubní tkáň, může se na rozhraní mezi zubem a výplní vytvářet napětí. To může vést ke vzniku mikrospár, oslabení vazby k zubu a také k rozvoji sekundárního kazu. Problém proto neleží pouze v samotné pevnosti výplně, ale také v tom, jak dobře a jak dlouho výplňový materiál spolupracuje se zubem,“ říká MUDr. Rawaa Yahya, zubní lékař působící v Liberci.
Výzkum využívá základní principy biomimetiky
Výzkum realizovaný na fakultě strojní ukazuje, že cesta k odolnějším materiálům nemusí vést jen přes další syntetické přísady, ale že je možné nechat se inspirovat přírodou.
Výzkumníci z liberecké fakulty strojní ve své práci v oblasti dentálních kompozitních systémů využívají základní principy biomimetiky, tedy toho, že přírodní struktury nejsou obvykle homogenní, ale víceúrovňově uspořádané. Tento směr výzkumu na Katedře obrábění a montáže Fakulty strojní Technické univerzity v Liberci zaštiťuje právě docentka Dora Kroisová, která se dlouhodobě zabývá bionikou a využitím přírodních principů v technických materiálech. Na základě svých předchozích výzkumných zkušeností s přírodními a kompozitními materiály navrhla možnost využití celulózových vláken s pevně navázanými nanočásticemi biogenního oxidu křemičitého jako funkční složky dentálních výplňových kompozitů. Vychází z toho, že ani zub není jednolitou hmotou. Je tvořen strukturami, které kombinují organickou a anorganickou složku a díky tomu dosahují kombinace pevnosti, houževnatosti a celkové odolnosti.
„Cílem nového návrhu proto není pouze ‚vyplnit dutinu‘, ale vytvořit kompozitní systém, který se svým uspořádáním a chováním alespoň částečně přibližuje stavbě zubu,“ říká.
Rýžová slupka jako zdroj organicko-anorganického plniva
Podstata výzkumu je na první pohled překvapivá. Rýžové slupky jsou jedním z největších celosvětových zemědělských odpadů. Jejich produkce dosahuje řádově stovek milionů tun a jsou běžně vnímány jako obtížně využitelný zemědělský zbytek. Díky výzkumu na FS TUL se ale stávají zdrojem organicko-anorganického plniva s vysokou přidanou hodnotou. Z hlediska stavby materiálu je totiž rýžová slupka zajímavá tím, že obsahuje nejen složku organickou, zejména celulózová vlákna, ale také anorganickou, v podobě přírodního, tzv. biogenního oxidu křemičitého. Právě oxid křemičitý patří mezi běžně využívané složky dentálních materiálů.
„Biologickým rozkladem rýžových slupek lze získat jemná celulózová mikro- až submikrovlákna, na jejichž povrchu zůstávají ukotveny nanočástice biogenního oxidu křemičitého, čímž vzniká hybridní plnivo spojující vláknitou a částicovou složku, a také složku organickou a anorganickou,“ vysvětluje docentka Kroisová.
Tato struktura je podle ní důležitá pro vytvoření kvalitního mezifázového rozhraní, tedy oblasti, kde se setkává polymerní matrice výplně s vyztužující složkou. V kompozitních materiálech často rozhoduje právě kvalita tohoto rozhraní. Pokud je přenos zatížení mezi matricí a výztuží účinný, může výztuž lépe omezovat deformaci materiálu, zlepšovat mechanickou odezvu a přispívat ke stabilitě celého systému.
U dentální výplně je to mimořádně významné, protože materiál je v ústech vystaven nejen mechanickému zatěžování, ale také opakovaným změnám teploty a vlhkosti.
Nejen mechanické vlastnosti, ale i biologická přijatelnost
Současný vývoj dentálních materiálů už nesleduje pouze pevnost, tvrdost nebo leštitelnost. Čím dál větší pozornost se věnuje také biologické přijatelnosti, bezpečnosti, původu surovin a udržitelnosti. Celulóza je obnovitelný materiál přírodního původu a biogenní oxid křemičitý z rýžových slupek představuje funkční anorganickou složku, která vzniká z dostupného rostlinného zdroje.
Podle dosavadních výsledků může vhodně navržené hybridní plnivo zlepšovat vybrané mechanické parametry a současně přispívat k vyšší rozměrové stabilitě kompozitu. U optimalizované formulace bylo dosaženo snížení koeficientu délkové teplotní roztažnosti při zachování teploty skelného přechodu a současně konzistentního zlepšení mechanické odezvy a tvrdosti.
Zásadní podle docentky Kroisové je, že zjištěný efekt nevychází pouze z přidání většího množství tvrdé anorganické složky oxidu křemičitého, která je v dentálních výplních nejvýznamnějším plnivem. Výzkum ukazuje, že rozhodující pro kvalitu výplně je nejen chemické složení, ale také architektura plniva, tedy způsob, jakým jsou jednotlivé složky v kompozitu uspořádány. Jinými slovy, budoucnost dentálních kompozitů nebude spočívat jen ve zvyšování obsahu plniv, ale zejména v návrhu jejich vnitřní struktury.
Praktická využitelnost nového materiálu v ordinaci
Samostatnou otázkou je praktická využitelnost materiálu v ordinaci. Nový dentální kompozit nemůže uspět pouze na základě laboratorních mechanických vlastností. Musí být také dobře opracovatelný běžnými stomatologickými nástroji. Proto byla ověřována jeho obrobitelnost v podmínkách blízkých klinické praxi. MUDr. Rawaa Yahya tedy testoval chování optimalizovaného kompozitu při opracování na stomatologické soupravě a sledoval také vliv materiálu na opotřebení diamantových nástrojů.
„Optimalizovaný kompozit jsem obráběl přímo na stomatologické soupravě ve své ordinaci. Výsledky ukázaly, že materiál je opracovatelný postupy běžnými ve stomatologické praxi. Současně však platí, že anorganická složka plniva může pro nástroje představovat určitou abrazivní zátěž. To není překvapivé, ale je to důležité pro reálné hodnocení materiálu. Vyšší tvrdost a stabilita kompozitu mohou být spojeny s vyššími nároky na nástroj, režim opracování a kontrolu jeho opotřebení. Právě tato část výzkumu je cenná tím, že nepředstavuje nový materiál pouze jako laboratorní úspěch, ale hodnotí jej i z pohledu praktického použití v ordinaci,“ popisuje závěry svého výzkumu MUDr. Rawaa Yahya.
Rýžová slupka jako surovina s konkrétní technickou funkcí
Využitím a zhodnocením rýžových slupek se docentka Dora Kroisová zabývá dlouhodobě. Hodnotí rýžovou slupku ne jako atraktivní ekologickou zajímavost, ale jako surovinu s konkrétní technickou funkcí. Už před časem s kolegy na liberecké strojní fakultě navrhla metodu, jak rýžové slupky využít jako zdroj nanočástic biogenního, tedy přírodního, oxidu křemičitého, které se standardně vyrábějí synteticky a používají se v různých průmyslových odvětvích.
Vyvinula jednoduchou, energeticky méně náročnou metodu, než je výroba syntetického oxidu křemičitého. Jde o jednostupňový proces rozkladu rýžových slupek v mikrovlnném reaktoru za přítomnosti anorganických kyselin, při kterém odpadají mezistupňové manipulace s materiálem.
Mikrovlnný ohřev zkracuje rozkladný proces na nezbytně dlouhou dobu a je vysoce účinný. Při tomto procesu se však organická fáze rozkládá a anorganická zůstává. V nově navrhovaném postupu rozkladu naopak organická část zůstává zachována.
I v tomto výzkumu se ukazuje, že rýžová slupka může být zdrojem hybridního plniva, které kombinuje jemná celulózová vlákna a biogenní oxid křemičitý. Tato kombinace nabízí možnost ovlivnit mechanické chování, rozměrovou stabilitu i technologickou zpracovatelnost dentálního kompozitu. Rýžové slupky tak nemusí být vnímány pouze jako nežádoucí zemědělský odpad. V rukou materiálových inženýrů se mohou proměnit ve zdroj funkčního plniva pro nové generace kompozitních materiálů. A v případě dentálních výplní může takový přístup přinést nejen technicky zajímavé řešení, ale také krok směrem k šetrnějším a stabilnějším materiálům pro každodenní stomatologickou praxi.
Perspektivní směr vývoje
Autoři výzkumu prezentují svoje výsledky jako perspektivní směr dalšího vývoje, nikoli jako hotový komerční produkt.
„Je nutné zdůraznit, že nejde o materiál, který by mohl být okamžitě zaveden do běžné klinické praxe. Před případným užitím u pacientů musí následovat další zkoušky, ověřování dlouhodobé stability, biologické bezpečnosti a splnění všech požadavků kladených na zdravotnické materiály,“ doplňuje docentka Kroisová.
Je však přesvědčena o zřetelném poselství tohoto výzkumu: budoucnost bílých zubních výplní nebude záviset pouze na estetice nebo na dalším navyšování obsahu syntetických plniv. Rozhodovat bude promyšlená struktura kompozitu, kvalita rozhraní mezi matricí a výztuží, rozměrová stabilita, biologická přijatelnost a také schopnost materiálu obstát při reálném opracování. Spojení bioniky, materiálového inženýrství a stomatologické praxe zde ukazuje, že i zdánlivě obyčejný přírodní materiál může být inspirací pro vývoj materiálů s vysokou přidanou hodnotou.
Jak říká MUDr. Rawaa Yahya, takových materiálů bude potřeba zřejmě čím dál více, protože stav zubů české populace se zhoršuje už u dětí. Zejména mladší generace nevěnuje zubní hygieně patřičnou pozornost, a i rodiče ji u svých dětí často zanedbávají.
„Plné zubní náhrady provádíme u stále mladších klientů. Starší lidé mají často zuby v lepším stavu, protože mají zažitou péči o ně. Já jsem problém řešil z pohledu lékaře. Máme ověřené závěry a bylo by skvělé, kdyby byl náš výzkum využit pro komerční výrobu nového kompozitu,“ zamýšlí se MUDr. Rawaa Yahya.
Šetrnější, ale méně odolná náhrada amalgámu
Na Katedře materiálu FS TUL probíhá také výzkum zaměřený na optimalizace mechanických vlastností skloionomerního cementu. Skloionomerní cementy (GIC — glass ionomer cement) jsou materiály s dobrou biokompatibilitou, chemickou adhezí k zubním tkáním a schopností dlouhodobého uvolňování fluoridových iontů, jejichž širší klinické uplatnění je však limitováno nedostatečnými mechanickými vlastnostmi, nižší odolností vůči abrazi a citlivostí na vlhkost během tuhnutí. Skloionomerní cementy jsou tvořeny práškovou složkou na bázi fluorohlinitokřemičitého skla a kapalnou složkou obsahující vodný roztok polyakrylové (nebo jiné polykarboxylové) kyseliny. Po smíchání obě složky chemicky reagují a materiál postupně ztuhne.
Skloionomerní cementy se zároveň chemicky vážou na zubní tkáně (sklovinu i dentin), což umožňuje minimálně invazivní preparaci a přispívá k zachování zdravé zubní tkáně. Mají fyzikální a chemické vlastnosti podobné tvrdým zubním tkáním, takže reagují na teplo a chlad podobně jako vlastní zub. Jedná se o šetrnější náhradu zakázaného amalgámu, který nevyhovoval zdravotně ani esteticky. Tyto materiály jsou cenově dostupné, nejsou ale dostatečně odolné.
Nevyhovující mechanické vlastnosti
Skloionomerní cementy se vyznačují nižší otěruvzdorností a tvrdostí, které ovlivňují trvanlivost zubní výplně. Má také nižší pevnost v ohybu, což je příčinou častějšího porušení celistvosti materiálu. A právě optimalizací mechanických vlastností skloionomerních cementů se zabývá tým doktorky Totky Bakalové na Katedře materiálu FS TUL zhruba tři roky.
„Máme signály od odborníků z oblasti dentální medicíny, že zdravotní pojišťovny mají zájem na tom, aby tento dostupný a cenově přijatelný materiál měl potřebné vlastnosti. On má mimo jiné i výhodu v tom, že se váže k zubní tkáni chemicky, a není proto nutné, jako u drahých kompozitních materiálů, zub předleptat a ve větším otvoru ho není potřeba vrstvit a jednotlivé vrstvy postupně vytvrzovat. To znamená, že nejen samotný kompozitní materiál, ale i postup jeho použití je levnější a časově méně náročný. Proto je zájem optimalizovat jeho mechanické vlastnosti. Na to se v našem výzkumu zaměřujeme tak, že materiál modifikujeme a zasahujeme do struktury minimálně, matrice materiálu zůstává stejná,“ říká doktorka Bakalova.
Díky aplikačnímu potenciálu podpora studentské grantové soutěže
Je to také téma disertační práce Ing. Magdaleny Mrózkové, která vzhledem k vysokému aplikačnímu potenciálu tohoto výzkumu získala na další rok podporu studentské grantové soutěže FS TUL.
„Zaměřuji se na optimalizaci pevnosti v tlaku a ohybu, odolnosti vůči otěru, mikrotvrdost kompozitu a také adhezi k zubní tkáni při cyklickém namáhání zubu, aby se zvýšila životnost dentální výplně. Můj výzkum navazuje na dlouhodobou spolupráci Katedry materiálu FS TUL s Pomořanskou univerzitou medicíny ve Štětíně a je v podstatě reakcí na požadavky dentální praxe v rámci Evropské unie,“ říká Ing. Mrózková. A podle konzultantky doktorky Bakalové tento výzkum propojuje principy materiálového inženýrství, fyzikálně-chemické vlastnosti nanokompozitů a požadavky biologické kompatibility, čímž vytváří ucelený a integrovaný přístup k problematice. „Práce Ing. Magdaleny Mrózkové přináší výsledky s jasnou praktickou relevancí a směřuje k vývoji nové generace kompozitů, které si zachovávají své klinicky cenné biologické vlastnosti, ale zároveň vykazují významně vyšší mechanickou a tribologickou odolnost,“ hodnotí aktuální výzkum na katedře.
Polská univerzita ověřuje liberecké měření v praxi
O aplikačním potenciálu výzkumu zaměřeném na optimalizaci funkčních vlastností materiálů pro stomatologickou praxi svědčí mimo jiné to, že s libereckou fakultou strojní spolupracuje Pomořanská lékařská univerzita ve Štětíně (Pomeranian Medical University in Szczecin), kde se zabývají modifikací zubních výplní. Právě na polské univerzitě, která má oprávnění provádět experimenty na biologickém materiálu, se doktorandka Ing. Mrózková seznámila s praktickými požadavky při práci s pacienty.
„Se svojí konzultantkou DDS Helenou Gronwaldovou, Ph.D., diskutuji o specifice výzkumu lidských zubů z různých věkových kategorií a genetické odlišnosti. Polští výzkumníci mají v tomto dentálním oboru velké zkušenosti a my na ně navazujeme materiálovým výzkumem, ve kterém hledáme cestu, jak materiál zmodifikovat, a tím dosáhnout optimálních funkčních vlastností. Vyhledáváme nanočástice, které mohou při modifikaci skloionomerních kompozitů přispět svými antibakteriálními vlastnostmi, případně zlepšit jejich mechanické vlastnosti — ideálně obojí. A protože my v Liberci nemůžeme experimentovat s biologickým materiálem, je pro nás velmi cenná spolupráce se Štětínem, kde naše experimentální data a závěry ověřují na konkrétních zubech a posouvají tak výzkum rychleji k finální fázi. Mají k dispozici moderní přístroje a simulátory, na kterých ověřují naše modifikované materiály — například z hlediska adheze k zubní tkáni. Velmi užitečné je pro nás například ověřování kompozitních materiálů při cyklickém namáhání zubů a změně teploty, což může výrazně ovlivnit životnost materiálu,“ říká.
Respekt k lidskému tělu, plomba nesmí být tvrdší než přírodní zub
Aby měly pokusy statistický význam, připravila a zcharakterizovala Magdalena Mrózková více než tisíc vzorků ze skloionomerního cementu. Hodnotila pevnost v ohybu, v tlaku, mikrotvrdost, třecí vlastnosti, otěruvzdornost a lomovou houževnatost [určuje schopnost materiálu zůstat při deformaci a nárazech bez tvorby trhlin — pozn. red.]. V současné době rozšiřuje hodnocení také na antibakteriální vlastnosti a cytotoxicitu zmodifikovaných kompozitů, a to z důvodu zajištění bezpečnosti při kontaktu s lidskou tkání. Bere při tom v úvahu varování doktorky Bakalové, že není vhodné vyvinout materiál, který bude mít lepší mechanické vlastnosti než lidské zuby. Kdyby se totiž příliš tvrdá plomba při žvýkání potkávala s přírodním zubem, mohla by ho poškodit.
„Nový materiál musí mít podobné vlastnosti jako původní lidské zuby,“ zdůrazňuje doktorka Bakalova a připomíná, jak zhruba před šesti lety přidávali do skloionomerního cementu nanočástice diamantů, které výrazně zvýšily otěruvzdornost a tvrdost kompozitu. Ukázalo se ale, že jejich vysoká vodivost působila problémy například při pití teplých a studených nápojů. Navíc způsobily nežádoucí efekt v podobě zešednutí kompozitu. Proto výzkumníci od této varianty odstoupili a zaměřili se na jiné částice. V rámci výzkumu vyvíjejí komplexní koncept materiálu, který nejen splňuje vysoké mechanické a tribologické nároky (kluzné vlastnosti a otěruvzdornost), ale zároveň podporuje dlouhodobé zdraví zubních tkání a efektivní uvolňování fluoridových iontů.
Jiné varianty nanočástice i nanovlákna
Výjimečnost práce Ing. Magdaleny Mrózkové spočívá zejména v systematickém přístupu k nanomodifikaci skloionomerních cementů, kdy kombinuje znalosti z oblasti materiálového inženýrství, fyzikálně-chemických vlastností nanokompozitů a biologické kompatibility. Za originální lze považovat její zaměření na využití nanočástic a nanovláken jako výztužné složky skloionomerních cementů.
Magdalena Mrózková se soustředí na komplexní charakterizaci těchto materiálů, od mechanických testů přes mikrostrukturální analýzu až po biologické hodnocení kompatibility. Takový přístup je nejen vědecky vysoce hodnotný, ale i prakticky aplikovatelný, což posiluje klinickou relevanci výsledků. Podmínkou je, že se z plomb nesmí vylučovat žádné škodlivé látky, proto je součástí výzkumu hodnocení cytotoxicity modifikovaných materiálů pro bezpečné použití. Nadějné se zdají být nanočástice oxidu zinečnatého pro jeho antibakteriální vlastnosti, které mohou eliminovat vznik sekundárního kazu, jako jednu z častých příčin selhání plomb. Zároveň zkoumá využití nanočástic boronitridu, které zlepšují mechanické vlastnosti, jako je pevnost v tlaku i ohybu, a zároveň zachovávají tepelnou a chemickou stabilitu. Ta je hodnocena například sledováním odolnosti vůči rozpouštění v agresivním prostředí, například při působení kyselých nápojů, jako je pomerančový džus nebo energetické nápoje.
Výsledky měření podle Magdaleny Mrózkové ukazují, že se podařilo materiálově vyřešit problém estetiky a antibakteriálních vlastností. Problém podle ní stále představuje elasticita materiálu, která je nezbytná pro komfortní proces žvýkání i pro zachování funkčnosti zubu bez poškození plomb. A tu podle ní pomohou zvýšit nanovlákna například polyvinylbutyralu (PVB), který se vyznačuje vysokou pevností v ohybu, pružností a přilnavostí. „Zakomponováním zkoumaných částic do nanovláken PVB se vytvoří funkční kompozit a dosáhne se objemového zpevnění materiálu,“ konstatuje.
Mezinárodní kontext a mezioborovost
Spolupráce mezi Technickou univerzitou v Liberci a Pomeranian Medical University ve Štětíně umožňuje podle doktorky Bakalové kombinovat odborné know-how z oblasti pokročilých materiálů s hlubokými znalostmi biologických a klinických aspektů stomatologie. Mezinárodní kontext práce zvyšuje její vědeckou hodnotu, podporuje sdílení metodik a výsledků napříč institucemi a přispívá k formulaci standardů výzkumu nanomodifikovaných dentálních materiálů. Ve výhledu jsou podle ní i další možnosti modifikace kompozitu, na kterých budou spolupracovat mezioborové týmy. Jedná se například o homogenizaci nanočástic a v polymerních roztocích a následné zvlákňování — tedy postup, jak homogenně rozprostřít nanočástice v roztocích pro výrobu nanovláken k dosažení co nejlepších výsledků.
V týmech jsou zastoupeni odborníci na materiálové inženýrství (otěruvzdornost, tlakové zkoušky, mikrotvrdost), na biologické hodnocení materiálu (antibakteriální vlastnost a cytotoxicita, zkoumání fyzikálních vlastností, jako je smáčivost povrchu) nebo chemickou charakterizaci. Mezioborovost výzkumu je podle ní zásadní a do vývoje a charakterizace se zapojí i další odborníci, včetně studentů, kteří budou v rámci svých závěrečných práci napomáhat pro zlepšení funkčních vlastností kompozitů. „Proto s výsledky výzkumu průběžně seznamujeme studenty a předkládáme jim i související témata pro jejich závěrečné práce. Se studentskou vědeckou prací máme totiž velmi dobré zkušenosti,“ konstatuje doktorka Bakalova.
Nanotechnologie ovlivní stomatologii
Technická univerzita v Liberci je považována za kolébku průmyslové výroby nanovláken, a to díky patentované technologii průmyslové výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním Nanospider, kterou v roce 2004 představil světu tým profesora Oldřicha Jirsáka z Fakulty textilní TUL. Díky tomuto patentu zaznamenáváme bouřlivý rozvoj nanotechnologií a nanomateriálů, které patří mezi nejdynamičtěji se rozvíjející oblasti současného materiálového výzkumu v řadě odvětví.
Za posledních 20 let si výzkumníci TUL připsali více než 20 patentů v oblasti produkce nanovláken. A nanotechnologie ovlivňují i moderní stomatologii, když se stávají klíčovým nástrojem pro zvyšování spolehlivosti a životnosti dentálních výplňových materiálů, které mají přímý dopad na kvalitu zdravotní péče a dlouhodobé zdraví pacientů.
Nanovlákna a nanočástice přispívají ke zvýšení pevnosti, odolnosti vůči šíření trhlin a abrazi, a tím zlepšují chování materiálu při cyklickém mechanickém zatížení v ústní dutině. Výzkum a vývoj v této oblasti je podle vyjádření zubních lékařů velmi vítaný a žádoucí.