NANOTECNOLOGIE IN ODONTOIATRIA
Giovanni Ballarani
Benedetto Condorelli
Parole chiave: nanomateriali, nanostrutture, nano odontoiatria, nano compositi, nanorobots, nanotecnologia, nanoscala, nanomedicina
Riassunto
Il 29 Dicembre 1959 dalla visionaria illuminazione di Richard Feynman così espressa: “c’è molto da fare laggiù dove è tutto estremamente piccolo” nasce l’idea della nanotecnologia. Ma l’era della nanotecnologia è effettivamente iniziata in silenzio circa 30 anni or sono. Nonostante perfino il termine ed i concetti fondamentali siano ancora ben poco conosciuti, la nanotecnologia non è fantascienza, anche se lo sembra, ma è la tecnologia di questo nostro secolo: è questa l’era della nanotecnologia. Prodotti della nanotecnologia sono già disponibili, ma si prevede che nell’arco di dieci, venti anni saranno parte della nostra vita quotidiana in tutti i campi.
Elemento fondamentale: opera su scala nanometrica: un nanometro è la miliardesima parte di un metro. La sezione di un capello umano ha il diametro di 100.000 nanometri: i prodotti della nanotecnologia sono in media compresi tra 1 e 100 nanometri. La nanotecnologia in campo medico ed odontoiatrico solo nella sua fase iniziale rimane espressione di evoluzione dell’esistente, ovvero di miglioramento dei mezzi di cura della salute come ora la intendiamo: terapia delle patologie.
La nanotecnologia in campo medico ed odontoiatrico rappresenta un approccio completamente nuovo alla soluzione dei problemi della salute dell’uomo, e nella sua matura espressione la nanotecnologia realizzerà sistemi che promettono sia di trovare soluzioni semplici ad alcune patologie congenite che di non permettere la comparsa di patologie acquisite avvalendosi di mezzi capaci di intercettare, diagnosticare ed eliminare al sorgere ogni alterazione di normalità appena si evidenzia con primissimi segnali a noi impercettibili, ovvero a livello pre-sintomatico essendo così possibile “mantenere la buona salute”, concetto che dovrebbe sostituire quello di “cura della malattia”.
Premessa
Questo articolo, lungi dal voler e poter essere esaustivo sulla materia, mira a presentare lo scenario che è necessario conoscere del presente e del futuro di questa tecnologia, riferita in particolare alla odontoiatria. E di come, sulla scia di questa rivoluzione, di questo spostamento repentino della tecnologia su di un livello impensabilmente alto –come se si passasse da un treno a vapore ad un UFO- stanno cambiando e cambieranno non solo mezzi e tecniche, ma approccio agli studi ed alla clinica. Il tutto realizzato in un modo che a noi autori è congeniale, ovvero cercare di far conoscere l’argomento dalla sorgente, dalle origini per permettere un grado di conoscenza della materia, anche se modesto, consistente e con basi solide e certe, buone per ogni eventuale futuro, crediamo necessario ed inevitabile approfondimento.
Sviluppo della nanotecnologia
La nanoscienza si occupa di comprendere la dipendenza tra proprietà e dimensioni/dimensionalità della materia; la nanotecnologia si occupa di manipolare la materia alla scala nanometrica per ottenere materiali e dispositivi con funzionalità controllate.
La nanotecnologia è il controllo e la manipolazione dei materiali al di sotto della misura di 100 nanometri spesso su scala atomica o molecolare. Elemento fondamentale: è una tecnologia che opera su scala nanometrica. Un nanometro (nm) è la miliardesima parte di un metro. Un globulo rosso misura 2.500 nm, un batterio 1.000 nm, un virus 100 nm; il DNA è largo 2,5 nm; un singolo atomo misura 0,25 nm. La sezione di un capello umano ha il diametro di 100.000 nanometri; i prodotti della nanotecnologia sono in media compresi tra 1 e 100 nanometri.
La nanotecnologia riguarda materiali in scala nanometrica in tutti i campi scientifici: dalla chimica alla biologia, dalla fisica alla scienza dei materiali, alla ingegneria.
Le promesse della nanotecnologia sono quelle di:
1. Permettere di posizionare materialmente ogni atomo o molecola nel posto e nella posizione desiderata – cioè esatto controllo posizionale per l’assemblaggio.
2. Permetterci di costruire pressoché ogni materiale o struttura, compatibile con le leggi della fisica, che possa essere determinato a livello atomico o molecolare.
3. Permetterci di ottenere costi di produzione che non eccedono di molto il costo del materiale grezzo necessario e della energia usata nel processo di fabbricazione
La visionaria ed intuitiva lezione “There’s Plenty of Room at the Bottom” (c’è molto da fare laggiù dove è tutto estremamente piccolo) tenuta dal fisico Richard Phillips Feynman (1918-1988) Premio Nobel per la Fisica nel 1965 ad un convegno della American Physical Society presso il California Institute of Technology (CALTECH) Il 29 Dicembre 1959 è stata l’origine della idea della nanotecnologia.
Insieme a Feynman, un ristretto numero di scienziati si appassionarono alla nanotecnologia ed un breve cenno alla scenario dei primordi della nanotecnologia ci deve far ricordare che nel 1974 Norio Taniguci (1912-1999) Fisico giapponese e Professore della Tokio Science University ha coniato il termine “nano-tecnologia” usandolo in una conferenza per descrivere i suoi esperimenti di deposizione di un film sottile di atomi che mostravano il controllo della materia nell’ordine dei nanometri.
Eric Drexler, (1955-) di Alameda, California, Ingegnere in Nanotecnologia molecolare (Prima Laurea Istituita) MIT Massachusetts Institute of Technology Boston ha dedicato tutti i suoi studi e tutta la sua carriera alla nanotecnologia esplorando in profondità l’idea di Feynman.
Eric Drexler ha promosso l’importanza dei fenomeni in scala nano e le loro potenzialità per mezzo di lezioni e dei suoi libri, i primi in assoluto sulla nanotecnologia: “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology “(1986) e “Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation” (1992): così il termine nanotecnologia ha acquisito il suo senso corrente.
Nel 1986 Drexler ha fondato il “Foresight Institute” con la missione di "Preparare per la nanotecnologia”. Drexler ha anche pubblicato il termine "grey goo" per descrivere cosa potrebbe accadere se ipotetiche macchine nano-robot autoreplicanti, capaci di operazioni autonome ed indipendenti fossero costruite e messe in circolazione: è un ipotetico scenario di fine del mondo -che coinvolge la nanotecnologia- in cui questi robots autoreplicanti fuori controllo consumano tutta la materia disponibile sulla terra per costruire un numero infinito di se stessi; uno scenario chiamato
“Ecofagia” (mangiare l’ambiente): Hanno preso origine da cioò anche i movimenti “anti-nanotecnologia”.
Nel 1977 Tuomo Suntola (1943-) della Helsinky University of Technology ha inventato la ALD (Atomic Layer Deposition): una delle prime nanotecnologie applicate e brevettate: Un procedimento chimico autolimitante di deposizione su vari substrati di una pellicola sottile di spessore pari ad un singolo atomo: da subito e tuttora largamente usato nell’industria.
Materiali nanostrutturati e funzionalizzati (ovvero rivestiti di un sottile strato atomico di altro materiale che li renda più specificatamente funzionali ad un compito) possono servire da base per dispositivi “intelligenti” di somministrazione di farmaci, rivestimenti di impianti protesici, o strumenti medicali auto sterilizzanti.
Nel 1981 Gerd Binning ed Heinrich Rohrer nel Laboratorio di Ricerca IBM di Zurigo hanno inventato e sviluppato lo SCANNING TUNNELING MICROSCOPE (STM, Microscopio a scansione ad effetto tunnel) e per questo hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisica nel 1986. Questa invenzione ha dato agli scienziati per la prima volta la capacità di visualizzare e manipolare singolarmente gli atomi, la capacità di spingere e trascinare singoli atomi. E’ questa invenzione che ha dato materialmente ed effettivamente inizio alla “era della nanotecnologia”
Nel 1986 Gerd Binning, Calvin Quate e Christoph Gerber hanno inventato e sviluppato in California, una collaborazione tra Università di Stanford e Laboratori IBM lo “ATOMIC FORCE MICROSCOPE” (AFM, Microscopio a forza atomica, microscopio a scansione di sonda): È una evoluzione del STM, più pratico e versatile; ha maggiore contrasto e cattura immagini più precise e con migliore risoluzione.
Cluster
La Scienza dei Cluster, elemento basilare della nanotecnologia, si sviluppa agli inizi degli anni ’80, è definita anche la scienza dei piccoli gruppi. I cluster sono aggregati numericamente finiti di atomi, molecole o ioni, tenuti insieme da forze che possono essere di varia natura, aderendo tra loro come nella materia macroscopica. Sono chiamati cluster o nanoparticelle. Sono composti dello stesso elemento ed assemblati nella quantità voluta: sono il prodotto della nanotecnologia. I cluster hanno caratteristiche fisiche chimiche ed ottiche diverse dalla materia macroscopica da cui originano e dalle di questa molecole. I cluster della stessa materia macroscopica variano nelle loro caratteristiche in base al numero delle particelle di cui sono costituiti. Le molecole hanno una composizione ed una geometria definite mentre i cluster possono essere fatti di qualsiasi numero di particelle e possono avere geometrie diverse. Nella dimensione nanometrica tutte le proprietà della materia cambiano e cambiano anche all’interno della scala nanometrica in ogni singola diversa dimensione. Cambiano tutte le proprietà incluso resistenza, conduttività, colore, tossicità.
Nanostrutture
Le fondamentali nanostrutture scoperte sono
La prima nanostruttura ad essere scoperta (1985) è stata il Fullerene (C60), una molecola somigliante nella forma ad un pallone da calcio e composta interamente di carbonio, detta anche buckyball.
Nel 1991, Sumio Iijima (NEC) ha scoperto Il nanotubo di carbonio (CNT). I nanotubi di carbonio (CNTs), come le buckyballs, sono interamente composti di carbonio, ma in forma tubulare. I nanotubi di carbonio mostrano delle straordinarie proprietà in termini di robustezza, conduttività elettrica e termica.
I nanotubi di carbonio (CNTs) sono destinati a breve a sostituire il silicio nella microelettronica, che diventerà nanoelettronica. Il 25 Settembre 2013 è nato Cedric, il primo prototipo di computer a nanotubi di carbonio messo a punto da Max Shulaker e colleghi (Stanford). E’ il prototipo del primo computer costruito senza silicio. Utilizza transistors di nanotubi di carbonio, infinitamente piccoli e molto più efficienti nella conduzione di energia e con maggiori prestazioni, richiedono minore energia e non surriscaldano.
I nanotubi di carbonio (CNTs) hanno grandissima resistenza meccanica (supera di 100 volte l’acciaio), un peso 6 volte inferiore. Hanno una resistenza a temperature di 2000 °C e grandissima flessibilità ( si piegano fino a 90 gradi senza spezzarsi ).
I nanotubi di carbonio sono possibili agenti di contrasto ecografico; sono usati come impalcatura per la rigenerazione ossea e sono impiegati come carriers di farmaci; sono anche impiegati per aumentare l' attività neuronale.
Il team di Naomi J. Halas, Rice University, 2003 ha scoperto le nanoconchiglie dorate: sono nanoparticelle sferiche con un sottile rivestimento in metallo(oro) capaci di assorbire lunghezze d’onda diverse a seconda dello spessore del rivestimento: sono usate nel bio-imaging e nella terapia del tumore. Sono e capaci di intercettare e distruggere il tumore in un solo trattamento. Sono state usate per eliminare il tumore nel topo. Una volta iniettate nel tumore viene attivata la radiazione all’infrarosso e le nano conchiglie si riscaldano al punto di distruggere le cellule del tumore.
Nanorobots
Sono il prodotto della ingegneria nanotecnologica: congegni fabbricati in scala nanometrica con componenti atomici o molecolari. Mentre abbiamo già molti prodotti della nanotecnologia, la nano robotica è per la maggior parte in fase avanzata di studio e sperimentazione.
Il campo di maggiore potenziale utilizzo dei nanorobots è il campo biomedico con nanorobots che permettono
n Al farmaco di raggiungere solo le cellule obiettivo
n Il trattamento delle malattie a livello molecolare
n La individuazione e distruzione di cellule cancerogene
n La ricostruzione di tessuti danneggiati
Il Foresight Institute di Eric Drexler ci indica una serie di nanorobots che sono di prossima realizzazione perché già esistente la tecnologia necessaria. Sono nanorobots intesi per il trattamento e/o la eliminazione di problemi medici dovuti ad accumulo di sostanze organiche indesiderate che interferiscono con le normali funzioni del corpo come: tumori; aterosclerosi; coaguli, trombi ed emboli che portano ad infarto / ictus; accumulo di tessuto cicatriziale; sacche di infezione localizzate.
Ogni malattia inizia a livello molecolare. I passi per prevenire trattare o invertire il processo patologico delle lesioni deve iniziare allo stesso livello, e questo può essere attuato per mezzo dei nano robot. La genesi precoce del concetto di nanomedicina è sorta dalla visionaria idea che infinitesimali nano robot e relativi congegni potessero essere progettati, fabbricati ed introdotti nel corpo umano per compiere riparazioni cellulari a livello molecolare.
Il 16 Dicembre 2013, Jong-Oh Park e colleghi della Università Chonnam (Gwangju, Sud Korea), per primi hanno annunciato la realizzazione di un nanorobot, denominato “bacteriobot” per trattare i tumori. È un batterio della salmonella geneticamente modificato non tossico che viene attratto dalle sostanze chimiche rilasciate dalle cellule tumorali. I “bacteriobot”sono stati testati nel topo ed hanno mostrato la capacità di colpire e distruggere tumori della mammella e del colon-retto.
La nanotecnologia ci ha concretamente avviato sulla strada della medicina personalizzata, della diagnosi estremamente precoce e pre-sintomatica e della terapia mirata estremamente precoce o pre-sintomatica.
NANO ODONTOIATRIA
È la nanotecnologia applicata alla odontoiatria in tutti i suoi aspetti, ovvero prevenzione, diagnosi, riduzione del dolore e cura usando materiali nano strutturati e nano ingegnerizzati. La promessa della nano odontoiatria in fase avanzata è quella del mantenimento della salute orale evitando le patologie e le terapie come oggi le conosciamo.
Nello sconfinato fronte oggi estremamente avanzato della ricerca in nanotecnologia, a lato della nano odontoiatria, chiamiamola assoluta, ovvero quella che, quando matura, farà avanzare tecnologia, tecniche e clinica ad un livello sconosciuto ed impensabile, la nano odontoiatria ha intanto esordito come tecnologia migliorativa della odontoiatria convenzionale, perciò possiamo fare una semplice classificazione che ci permetta di comprendere le due realtà, molto diverse tra loro che ora ed ancora per un po’ convivranno nella nano odontoiatria prima della sua fase avanzata.
n nano odontoiatria migliorativa
n nano odontoiatria
Nano odontoiatria migliorativa
Compositi
I compositi in uso in odontoiatria sono materiali con caratteristiche estetiche simili allo smalto che vengono utilizzati per la parziale ricostruzione di un elemento dentario. Hanno un aspetto più o meno fluido e sono costituiti da una matrice organica di tipo resinoso e da una parte inorganica detta riempitivo, alla stregua di una malta di cemento e breccia. Il composito viene applicato quando si trova in uno stato plastico per poi, dopo essere stato modellato, venire indurito con la polimerizzazione catalizzata da una luce con lunghezza d'onda particolare.
Il composito tradizionale è riempito da macro elementi disomogenei che possono risultare pure aggregati tra di loro a formare elementi ancora più grandi. La grossezza e disomogeneità di questo riempitivo comporta la impossibilità del composito a riempire finemente e ad aderire completamente alla microfrastagliata superficie interna della parete della preparazione dentale; comporta anche la impossibilità di saturare la matrice resinosa oltre il 70%: ne consegue che la attesa retrazione della matrice resinosa del composito verso il centro della massa del composito stesso dopo la polimerizzazione lascia una mancanza, un vuoto lungo il margine con conseguente imperfetta aderenza tra composito e parete interna della preparazione, condizione questa che apre la strada ad infiltrazioni batteriche e recidive di carie.
Gli innovativi nanocompositi (1nm-100nm) sono riempiti al 90% da nanoparticelle omogenee e mai agglomerate, omogeneamente distribuite nella matrice di resina. Assicurano così una interfaccia stabile e completa con il tessuto duro mineralizzato della preparazione del dente e permettono una perfetta chiusura marginale grazie alla minima contrazione dovuta alla omogeneità e all’elevata percentuale del riempitivo. I Silani (composti organici del silicio) sono dei “primer” ovvero leganti che interposti tra due sostanze che non legano permettono loro di accoppiarsi perfettamente. Fondamentale per il successo dei nanocompositi è stata la riformulazione di questi primer che cementano ogni singola nano particella inorganica del riempitivo alla matrice del composito e questo alla parete della preparazione del dente.
Materiali da impronta
Nanofillers integrati nei vinilpolisilossani realizzano un nanomateriale da impronta dalle caratteristiche fino ad ora sconosciute. Presenta migliore fluidità, migliori proprietà idrofiliche e avendo la capacità di rilevare i dettagli in dimensione nanometrica esalta al massimo grado la precisione.
Nanomateriali per ortodonzia
Filo ortodontico
Il principale difetto del filo per archi ortodontici è rappresentato dalla frizione tra l’arco ed il bracket. Un nuovo filo per archi ortodontici con rivestimento ceramico nanostrutturato di TiO2 elimina il difetto dalla frizione tra l’arco ed il bracket ottenendo così scorrevolezza, ultra-elevata resistenza, giusta deformabilità e resistenza alla corrosione.
Nano-brackets
Fabbricati con un nuovo tipo di materiale rinforzato con nano particelle di ossido di alluminio presentano resistenza meccanica incrementata, resistenza alla frizione incrementata e trasparenza inalterata.
Nano odontoiatria
Prevenzione della carie per rimineralizzazione dello smalto
La prevenzione della carie con approccio biomimetico è la conseguenza naturale del trattamento delle lesioni iniziali sub-micrometriche dello smalto con nano prismi di idrossiapatite che possono essere inclusi in vari prodotti per la salute orale (dentifrici, collutori, etc.).
Studi in vitro hanno dimostrato la capacità di rimineralizzare sia dentina che smalto con nano idrossiapatite (hap) nella dimensione di 20 nm che ha caratteristiche simili ai prismi naturali dello smalto così che la nano hap può essere usata come efficace materiale biomimetico di riparazione delle lesioni delle smalto agendo quindi anche come anticarie allo stadio iniziale. Nanoprismi di idrossiapatite usati in odontoiatria restaurativa hanno una struttura simile ai prismi dello smalto, e come questi mostrano capacità di auto assemblaggio, avvicinandosi così alla naturale realizzazione della struttura (approccio biomimetico)
Dentifrici nanorobotici (dentifrobots)
Dentifrici nano robotici somministrati come dentifricio o come collutorio possono pattugliare una volta al giorno tutte le superfici dentarie, sopra e sotto gengivali, metabolizzando tutto il materiale organico intrappolato con formazione di vapore innocuo ed inodore. Si realizza così una continua rimozione della placca e del biofilm. Adeguatamente configurati e funzionalizzati questi nanorobots possono identificare e distruggere batteri patogeni sia nella placca che altrove nella bocca. Questi invisibili nano robot sono dei congegni puramente meccanici che si auto deattivano se o quando ingeriti.
Durata del dente e cosmesi dentale
L’apparenza e la durabilità dei denti può essere migliorata sostituendo lo strato superiore usurato dello smalto con materiali artificiali saldati con legami covalenti come lo zaffiro o il diamante che hanno una durezza da 20 a 100 volte maggiore dello smalto naturale. Lo zaffiro puro o il diamante sono soggetti a frattura ma sono più resistenti quando sono parte di un materiale composito nano strutturato che includa nano tubi di carbonio.
Ipersensibilità dentinale
La ipersensibilità dentinale è un fenomeno causato dalla pressione trasmessa idrodinamicamente alle terminazioni nervose nei tubuli dentinali comunicanti con la superficie dentinale patologicamente scoperta. Nanorobot dentali possono in maniera precisa e selettiva occludere con nanoparticelle di oro gli specifici tubuli in un minuto: cura veloce e definitiva.
Sostituti di osso
L’osso è una nano struttura naturale composta da sostanza organica (principalmente collagene) e rinforzato con sostanza inorganica. Un frequente riscontro in ambito odontoiatrico è la mancanza di osso dovuta a riassorbimento fisiologico conseguente alla perdita di elementi dentari, patologie tumorali, resezioni chirurgiche e traumi.
Ad oggi quando possibile si è cercato di risolvere il problema con innesti di osso autologo -il gold standard- con prelievo intraorale da ramo mandibolare o extraorale da cresta iliaca, calvaria o tibia a seconda delle necessità e delle possibilità nei singoli casi: procedura molto dispendiosa con costi di sofferenza umana e costi economici. Osso omologo allogenico di Banca, osso eterologo xenogenico (di origine animale: bovina, equina, suina) e materiali sintetici alloplastici (Fosfati di Calcio, Biovetri, Polimeri.) anche in combinazione ognuno entro i propri limiti sono stati e sono tuttora usati.
L’idrossiapatite (HA) è un fosfato di calcio considerato uno dei più utili ed efficaci materiali sintetici per sostituti d’osso dal momento che è un costitutente essenziale della parte minerale/inorganica di ossa e denti di mammiferi. L’Idrossiapatite (HA) è già usata come sostituto d’osso alloplastico biocompatibile e non allergenico in difetti ossei con particolari caratteristiche e entro determinate dimensioni. La sua microstruttura (macropori di circa 100-1000μm e micropori<10 μm) ed il completo riassorbimento permettono la formazione di nuovo osso (osteogenesi) entro 6-18 mesi .
La nanotecnologia emula la struttura naturale dell’osso per uso ortopedico e dentale anche nelle sue dimensioni strutturali. Il nano osso è costituito da nano cristalli di idrossiapatite (nHA) che mostrano una microstruttura lassa con nano pori situati tra i cristalli che lo rendono in massimo grado osteoconduttivo e favoriscono in maniera efficiente e veloce il necessario adsorbimento di proteine e la adesione ed attivazione cellulare. Il nano osso è un sostituto sintetico di osso molto avanzato estremamente bioattivo composto da granuli di idrossiapatite nano-strutturati (nHA) della stessa dimensione di quelli dell’osso naturale e collagene ingegnerizzato a struttura aperta. Il nano osso permette un utilizzo molto più ampio riguardo alle caratteristiche ed alle dimensioni dei difetti ossei rispetto agli innesti di Idrossiapatite (HA) convenzionale e realizza la formazione di nuovo osso (osteogenesi) molto più velocemente entro pochi mesi. I sostituti di osso nano-strutturati oggi disponibili comprendono Ostim®, VITOSS®, NanOss® and SynthoGraft®.
Impianti dentali
Il Titanio e le leghe di titanio sono state le innovazioni che hanno permesso il successo della moderna terapia con impianti dentali che ha rappresentato uno dei maggiori progressi nei passati tre decenni. L’osteointegrazione (diretta integrazione dell’impianto con il tessuto osseo circostante senza la formazione di tessuto fibroso interposto) è accettata come base per il successo clinico dell’impianto. Per ottimizzare la crescita dell’osso attorno all’impianto, la superficie naturale di titanio inizialmente adottata si è evoluta in successsione in: superficie meccanicamente levigata, superficie ruvida sabbiata, superficie ruvida sabbiata e mordenzata ed infine superficie TPS (titanium plasma spray) che ha permesso un aumento di sei volte della superficie di interfaccia dell’impianto con l’osso circostante e quindi la potenziale superficie di integrazione.
La superficie viene ancora migliorata con un rivestimento di idrossiapatite (HAP) che ha portato ad oltre l’ 85% il tasso di successo degli impianti dentali.
Il passo successivo è stato la nano strutturazione della superficie implantare, ovvero la riduzione della rugosità dei pori a dimensioni nanometriche, (nanopori, pori inferiori ai 100 nm), che ha permesso un ulteriore notevole aumento della superficie di osteointegrazione, maggiormente ritentiva del coagulo; ha permesso maggiore adesione e crescita cellulare e la completa colonizzazione della superficie implantare. A tutto ciò è conseguito anche un miglioramento della guarigione del sito impiantare.
Il successo e la longevità degli impianti dentali sono fortemente determinati dalle caratteristiche superficiali e dalla suscettibilità alle infezioni batteriche.
Per il completo successo della terapia impiantare quindi è necessario migliorare ancora la osteointegrazione ed assicurarne la longevità: infatti la incompleta osteointegrazione e le infezioni batteriche post-chirurgiche o tardive sono i due motivi che ancora oggi portano alla perdita dell’impianto.
La tecnologia bio-nano della superficie implantare si pone come soluzione: il completo successo impiantare ed il mantenimento a vita di un impianto è legato alla nanotecnologia.
Cortino Sukotjo, University of Illinois at Chicago (UIC), College of Dentistry ha studiato impianti dentali con superficie rivestita di nanotubi di TiO2. I nanotubi aumentano al massimo grado possibile l’area della superficie implantare, promuovono la crescita cellulare ed inibiscono la crescita batterica. La ricerca ha dimostrato che le cellule ossee (osteoblasti) crescono in maniera più vigorosa ed aderiscono meglio alla superficie di titanio rivestita con nano tubi di TiO2, piuttosto che sulle superfici di titanio convenzionali. La ingegnerizzazione con deposizione di nano idrossiapatite e nano calcio fosfato crea una superficie più complessa con miglioramento anche della bagnabilità e molto più favorevole alla formazione degli osteoblasti.
Per combattere le infezioni I nanotubi di TiO2 possono infine essere funzionalizzati con un rivestimento di nanoparticelle di argento. Al Michigan Tech stanno portando avanti una ricerca, non ancora pubblicata che è incentrata sugli impianti ortopedici, ma vale anche per gli impianti dentali
Le nanoparticelle di argento hanno capacità antimicrobiche ed i ricercatori sono riusciti a mettere a punto la dose capace di eliminare i microbi senza danneggiare le cellule sane ed i tessuti. In particolare le nanoparticelle di argento hanno la capacità di prevenire i biofilms, le enormi colonie di batteri che possono ricoprire gli impianti e che sono estremamente difficili da eliminare.
Una superficie nano strutturata integrata con nano particelle di argento sarebbe in grado di prevenire a vita le infezioni.
nanoparticelle di argento (Ag NPs)
Per le peculiari caratteristiche che presentano: assenza di usura, proprietà antibatteriche ed antifungine che non si dissolvono con il tempo, sono già state testate con successo
n nei cementi da otturazione retrograda per endodonzia
n negli impianti dentari
n nei primer per compositi
n negli adesivi per compositi anche ortodontici
n nei compositi.
Plasma laser
I plasma sono nuvole di gas altamente ionizzati già in uso per sterilizzare strumentazione medica ed anche parti del corpo. Nano particelle TiO2 (20-50 nm) utilizzate in forma di emulsione gel-simile, mostrano interessanti proprietà quando irradiate con impulsi laser: queste particelle possono essere spezzate dando origine ad effetti collegati:
n onde d’urto
n micro-abrasione di tessuto duro
n stimolazione alla produzione di collagene
Utilizzo clinico:
n 1. trattamenti parodontali
n 2. rimozione di melanina
n 3. Incisione di tessuti molli senza anestesia
n 4. preparazione delle carie
n 5. taglio di smalto e dentina
Nano-anestesia
La ricerca sta lavorando su sospensioni colloidali contenenti milioni di particelle nano robotiche di sostanza attiva analgesica dentale che viene instillata sulla gengiva del paziente. Questi nanorobot, dopo aver preso contatto con la superficie della corona o della mucosa, raggiungono la dentina migrando nel solco gengivale e raggiungendo senza dolore il sito bersaglio in 100 secondi. Una volta nella polpa bloccano la sensibilità che viene riattivata alla fine del trattamento.
Nano-diagnostica
Congegni nanodiagnostici (nanorobots funzionalizzati) possono essere usati per la identificazione precoce di patologie a livello cellulare e molecolare. La nano medicina incrementa l’efficienza e la affidabilità della diagnostica in vitro attraverso l’uso di nano congegni selettivi per raccogliere fluidi umani o campioni di tessuto e fare analisi multiple a livello subcellulare. Per quanto concerne la diagnostica in vivo nanocongegni (nanorobots) potranno essere inseriti nel corpo per identificare precocemente la presenza di patologie o per identificare e quantificare molecole tossiche e tumori.
Nanorobots per riposizionamento dentale / ortodonzia
Nanorobots possono manipolare direttamente i tessuti parodontali incluso gengiva e legamento parodontale, cemento e osso alveolare, permettendo un indolore riposizionamento verticale o una rotazione dell’elemento come pure una rapida riparazione tissutale.
Somministrazione localizzata di farmaci
Nano particelle biodegradabili formulate con PLGA [poly(-lactide-co-glycolide)] sono state studiate a fondo per la somministrazione mirata o localizzata di diversi principi attivi.
Diagnosi e trattamento del carcinoma orale
La saliva è usata come mezzo diagnostico ottenuto in maniera non invasiva e poco onerosa che contiene markers genomici e proteomici per l’identificazione molecolare delle patologie.
Gli exosomi derivati dal tumore sono vescicole di 30-100 nm, markers il cui livello è elevato nelle patologie maligne. Questo marker è stato studiato usando il microscopio a forza atomica. Tests con nano sensori dei fluidi orali e nano biosensori ottici possono pure essere usati per la diagnosi pre sintomatica di carcinoma orale.
Somministrazione di farmaci
La nanotecnologia sta aprendo nuove opportunità terapeutiche per molte sostanze farmacologiche che non possono essere usate con efficacia secondo le formulazioni orali convenzionali a causa della loro scarsa bio disponibilità; in alcuni casi la riformulazione di un farmaco con particelle di dimensione inferiore migliora la biodisponibilità. La formulazione con nano particelle procura una protezione per gli agenti suscettibili di degradazione o di denaturazione in ambiti di ph acido, e prolungano anche la durata della esposizione di un farmaco accrescendo la ritenzione della formulazione con la bioadesione. Idealmente tutti questi sistemi migliorano la stabilità, l’assorbimento, la concentrazione terapeutica del farmaco all’interno del tessuto bersaglio permettendo un miglior rilascio
Grandi restauri dentali / ingegneria nanotissutale
La sostituzione dell’intero dente, incluso le componenti cellulari e minerali viene indicato come completa sostituzione della dentatura. Questa terapia è possibile per mezzo di una combinazione di nanotecnologie, ingegneria genetica ed ingegneria tissutale. La completa sostituzione della dentatura è stata alla base della ricerca di Chan et al. che ha riprodotto lo smalto dentale, il tessuto più duro del corpo, usando unità estremamente organizzate di nanocristalli.
Conclusioni
La nanotecnologia sta cambiando il progresso della odontoiatria in maniera profonda e radicale perché origina da una visione completamente diversa dell’approccio alla salute: prevenire e curare a livello molecolare. Nel lungo termine permetterà miglioramenti delle funzioni fisiologiche, diagnosi, esami e cure istantanee, chirurgia a livello cellulare in vivo. Sarà possibile fornire salute orale anche a quell’80% della popolazione mondiale che oggi non può averla. La nanotecnologia è destinata a diventare il nocciolo della tecnologia della odontoiatria di questo ventunesimo secolo.
Immagini e Tavole
Le strutture di otto allotropi del carbonio a) diamante, b) grafite, c) Lonsdaleite, d) C60 Buckminsterfullerene, e) C540 Fullerene f) C70 Fullerene g) Carbonio amorfo h) Nanotubo di carbonio a parete singola
Il diametro della sezione di un capello umano misura 100.000 nanometri (nm)
Il primo nanorobot (Chonnam University, Sud Korea), Gennaio 2014
Bibliografia essenziale