Zahnmedizin: Zahnschmelz mit biomimetischer Schicht nachgebildet

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Medizin Doc Redaktion, Beitrag vom 18. September 2022

Künstlicher Zahnschmelz: Forschern ist es gelungen natürlichen Zahnschmelzes vollständig zu reproduzieren, indem sie ein Material zur Mineralisierung von Knochen und Zähnen, das sogenannte Hydroxylapatit, weiterentwickelt haben.

Neue Hydroxylapatit-Verbindung

Durch den Zusatz eines Aminosäurekomplexes zu Hydroxylapatit ist es ihnen gelungen, eine Zahnbeschichtung herzustellen, die die Zusammensetzung und Mikrostruktur des natürlichen Zahnschmelzes nachbildet.

Mit der verbesserten Zusammensetzung des Materials werden die Eigenschaften der Zahnoberfläche auf molekularer und struktureller Ebene repliziert und in ihrer Festigkeit übertrifft dieses Material das natürliche Gewebe.

Mit dieser neuen Methode der Zahnrestauration kann die Empfindlichkeit der Zähne bei Abrieb des Zahnschmelzes verringert oder der Zahn nach Erosion oder falscher Ernährung wiederhergestellt werden.

Auch wenn der Zahnschmelz eine schützende Funktion hat, kann seine Oberfläche zum Beispiel durch Abrasion, Erosion oder Mikrofrakturen angegriffen und zerstört werden.

Wenn die Zahnoberfläche nicht rechtzeitig repariert wird, wirkt sich die Zahnschmelzschädigung auf das Zahnbein (Dentin) und dann auf das Zahnmark (Pulpa) aus.

Aus diesem Grund ist es notwendig, die Zahnschmelzoberfläche wieder auf ein gesundes und stabiles Niveau zu bringen oder zusätzliche Schichten auf der Oberfläche aufzubauen, wenn sie sehr dünn geworden ist.

Mit Hilfe einer biomimetischen (der Natur nachempfundenen) mineralisierten Schicht, deren Nanokristalle die Anordnung der Apatit-Nanokristalle des Zahnschmelzes nachbilden, haben die Forscherinnen und Forscher diese Schicht in der Praxis hergestellt.

Nach Aussage von Pavel Seredin, Leiter der Abteilung für Festkörperphysik und Nanostrukturen an der Staatlichen Universität Woronesch konnte außerdem nachweisen werden, dass die Hydroxylapatitschicht eine höhere Nanohärte aufweist als der natürliche Zahnschmelz.

Die Substanz Hydroxylapatit ist ein Hauptbestandteil der menschlichen Knochen und Zähne.

Für die Herstellung des Hydroxylapatits wählten die Wissenschaftler einen Komplex aus polyfunktionalen organischen und polaren Aminosäuren aus, darunter zum Beispiel Lysin, Arginin und Histidin, die für die Bildung und Reparatur von Knochen- und Muskelstrukturen wichtig sind.

Mit Hilfe der eingesetzten Aminosäuren konnte Hydroxylapatit erzeugt werden, das morphologisch dem Apatit (dem Hauptbestandteil des Gewebes) des Zahnschmelzes vollkommen ähnlich ist.

Auch beschrieben die Forscherinnen und Forscher die Umgebungsbedingungen, unter denen die Prozesse der Bindung von Hydroxylapatit an das Zahngewebe ablaufen sollten.

Erst wenn diese Bedingungen erfüllt sind, ist es möglich, die Struktur des natürlichen Zahnschmelzes vollständig zu reproduzieren.

Normalerweise werden in der Zahnmedizin Kompositmaterialien zur Schmelzrestauration verwendet. Um die Haftfähigkeit von Schmelz und Komposit zu verbessern, wird der Schmelz vorher mit Säure angeätzt.

  • Die zurückbleibenden Ätzprodukte wirken sich nicht immer positiv auf den Verbund von Schmelz und Kunststoffen aus. Zur Nachbildung der Schmelzschichten mit biomimetischen Techniken haben wir die Mittel neutralisiert und die Ätzprodukte mit Kalziumalkali entfernt.

Auf diese Weise wurde die Bindung der neuen Hydroxylapatit-Schichten verbessert, so Seredin.

Die Entstehung einer mineralisierten Schicht mit Eigenschaften, die denen von natürlichem Hartgewebe ähneln, konnten durch Feldemissionselektronen- und Rasterkraftmikroskopie sowie durch die chemische Darstellung von Oberflächenbereichen mit Raman-Mikrospektroskopie bestätigt werden.

Das Verfahren wurde an gesunden Zähnen durchgeführt, um den Einfluss äußerer Faktoren auf die resultierende Schicht auszuschließen und die Ergebnisse mit gesunden Zähnen vergleichen zu können.

Im nächsten Schritt werden sich die Forscherinnen und Forscher mit der Reparatur größerer Defekte befassen, die von den Anfangsstadien der Karies bis hin zu Rissen und volumetrischen Frakturen reichen können. Die Studien- und Versuchsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Results in Engineering veröffentlicht.

Quellen

  • Pavel Seredin et al., Engineering of biomimetic mineralized layer made on the surface of natural dental enamel, Results in Engineering (2022). DOI: 10.1016/j.rineng.2022.100583

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