Застосування наночастинок кремнію в хірургічній стоматології та щелепно-лицевій хірургії

Кремній - є одним із елементів, що привертає все більше уваги вчених усього світу. Кремнієві наночастинки активно досліджують як носій для білкових молекул, оскільки вони мають велику активну поверхню, хімічно і термічно стабільні, добре суспендуються у водних розчинах та відносно інертні в навколишньому середовищі. Крім цього, такі наночастинки мають корисні фізичні й хімічні характеристики: кремній не сприяє розвитку мікроорганізмів, оптично прозорий, може виступати як ізолятор, захищаючи вміст капсули від впливу навколишніх впливів. Аналіз вітчизняних та зарубіжних джерел літератури вказує на те, що проблема дослідження і застосування кремнієвих наночастинок у медицині, а особливо в фармакології та фармації є актуальним питанням.

Синтез наночастинок кремнію. Існують різні методи отримання наночастинок кремнію, однак головний недолік майже всіх них - складність керування розміром одержуваних наночастинок. Основними методами синтезу кремнієвих наночастинок є технології Штобера та метод зворотної мікроемульгації. Колоїдні кремнієві наночастинки з розмірами менше 100 нм отримують за допомогою технології Штобера, яка полягає у гідролізі алкоксиду кремнію у суміші етанолу та розчину гідроксиду амонію, внаслідок чого утворюється кремнієва кислота.

Утворення наночастинок кремнію відбувається, коли концентрація кремнієвої кислоти більша за розчинність в даному розчині. Розміри частинок можуть коливатися від 10 нм до 1 мкм у діаметрі, залежить від концентрації вихідних реагентів та температури реакційної суміші. Приєднання органічних компонентів після гідролізу можливе за допомогою модифікації аміновмісним силановим реагентом. Послідуючі фільтрація та сепарація допомагають відділити фракції частинок з потрібними розмірами. Також застосовують стабілізуючі білок добавки, наприклад полімери, цукри, амінокислоти. За допомогою даного методу отримують різні кремнієві біокомпозити з ферментами, рецепторами, антитілами, ну-клеїновими кислотами та цілими клітинами.Метод зворотної мікроемульгації полягає у використанні "вода-в-олії" мікроемульсії. Наночастинки води в олії відіграють роль нанореакторів для розділення частинок. Кремнієві наночастинки утворюються з силанових сполук. Діаметр отриманих частинок залежить від розміру частинок розчинника, в якому проходять реакції гідролізу. Процес отримання наночастинок триває 24-48 годин. Даний метод дозволяє отримувати монодисперсні частинки правильної сферичної форми з розмірами 0,5-1000 мкм. Метод зворотного мікроемульгування використовують і для синтезу напівпровідникових квантових точок та наночастинок металів [4, 7, 11, 12, 13, 14, 17].Єрмолаєва Ю.В. та співавт. з Інституту монокристалів НАН України, м. Харків, дослідили процес формування гетеронаночастинок типу "ядро-оболонка" на основі диоксиду кремнію із зовнішньою напівпровідниковою оболонкою з нанокристалів PbS з різним діаметром діелектричного ядра й ступенем його заповнення наночастинками PbS. Наночастинки PbS одержували методом колоїдного синтезу в водних розчинах за наявності стабілізатора - поліакрилової кислоти (35% водн. розчин, Aldrich). Як прекурсори використали солі нітрату свинцю і сульфіду натрію.Монодисперсні сферичної форми наночастинки диоксиду кремнію з малим ступенем дисперсності (<10%) були отримані гідролізом тетраетил ортосилікату модифікованим методом Stober.

Розмір отриманих наночастинок регулювали співвідношенням реагентів, температурою та швидкістю ведення процесу. Для отримання гетеронаночастинок поверхню діелектричного ядра - наночастинок SiО модифікували за допомогою біфункціональних органічних молекул триа-₂мінопропилтриетоксисилану (99,8%, Aldrich), які утворюють із силанольними групами ядро-ковалентний хімічний зв'язок і за рахунок аміногрупи забезпечують приєднання до ядра напівпровідникової оболонки.Синтез складних гетеронаночастинок типу "ядро-оболонка" з діелектричним ядром SiО₂ і напівпровідниковою оболонкою PbS проводили, змінюючи метр ядра (40 нм, 115 нм, 350 нм) і ступінь заповнення його напівпровідниковою оболонкою. Синтез ґрунтується на реакції функціоналізованих часток диоксиду кремнію і напівпровідникових наночастинок PbS, стабілізованих поліакриловою кислотою. Для цього колоїдний розчин наночастинок перемішували з водною суспензією часток SiО₂ у співвідношенні 1:1. Осад гетеронаночастинок відокремлювали та диспергували ультразвуком у невеликій кількості води. З метою одержання більшого заповнення ядра SiО₂ напівпровідниковими наночастинками процедуру повторювали [2, 3].Чуйко O.O. та співавтори в Інституті хімії поверхні НАН України, м. Київ, дослідили нанодисперсний кремнезем, отриманий за допомогою високотемпературного гідролізу тетрахлориду кремнію. Аморфний нанодисперсний кремнезем утворюється при спалюванні тетрахлориду кремнію у воднево-кисневому полум'ї за температури близько 10000С. Такий кремнезем має такі назви: си-лікс, аеросил, кабосил, хайсил та характеризується високим ступенем чистоти - вміст SiO₂ не менше 99,9%. Адсорбційні і хімічні властивості нанодисперсного кремнезему визначаються наявністю поверхневих структурних гідроксильних груп та сорбованих молекул води. Частинки кремнезему (9-10 нм) завдяки вод-невим зв'язкам утворюють агрегати розміром 200-500 нм. Сорбційні властивості нанодисперсного кремнезему, а також його термічна, біологічна, хімічна та ра-діаційна стійкість і однорідність забезпечують можливість застосування цього матеріалу в медичній практиці. [5, 6].

Властивості наночастинок кремнію. Наночастинки кремнію володіють унікальними фізико-хімічними властивостями. Зазвичай у біологічних дослідженнях використовують метод флюоресценції, який має відносно низьку яскравість випромінювання та нестабільність. Саме тому доцільним є використання нанокремнію у якості капсул для високоактивних флюоресцентних речовин, що забезпечує у ~3.000 разів вищу інтенсивність випромінювання, ніж при використанні традиційних органічних хромофорів. Наночастинки кремнію дозволяють здійснювати аналіз для визначення окремих біологічних об'єктів, наприклад ДНК та антитіл. На поверхні таких наночастинок має підтримуватися стабільний запас біолігандів, що закріплені за допомогою біохімічних реакцій, забезпечуючи біологічну відповідь при взаємодії з відповідною молекулою.Дія нанокремнію на процеси остеогенезу направлена, в першу чергу, на синтез колагену в основній речовині, бо при дефіциті кремнію відбувається втрата основною речовиною кістки регулярної трабекулярної структури, відбуваються патологічні зміни в хрящовій тканині виникають дефекти тканини суглобів тощо [10, 11].Властивість до розпізнавання, збору та очищення окремих частин ДНК та РНК у комплексній матриці є надзвичайно важливим у діагностиці різних захворювань, у визначенні генних профілів та дослідженнях експресії генів. Комплекси нанобіополімерів є перспективними у біодіагностиці, де наночастинки можуть забезпечувати розпізнавання патологій та у нанотехнологіях, де інформаційний зміст біомолекули можна використовувати для просторового зображення наночастинок.

Біокон'югація кремнієвих наночастинок з молекулами ДНК/РНК може надавати їм унікальних біологічних функцій. Кремнієві наночастинки мають тенденцію до високої люмінесценції і світлостабільності та мають широкий діапазон розмірів - від 5 нм до 400 нм.Останнім часом неодноразово повідомлялося про розробку стратегій іммобілізації та стабілізації біомолекул для застосування у біосенсорах. Наночастинки є перспективними в якості універсальних посилюючих маркерів для біологічних проб. Наразі білкові та нуклеїнові наночастинки кремнію, функціоналізовані кислотами, використовуються як маркери посиленої трансдукції біологічного розпізнавання. Tao et al. шляхом захоплення біомолекул у наносфери на основі кремнію створили можливе забезпечення системи високою здатністю до біомолекулярної імобілізації, що мають високу об'ємну активність та покращену механічну стабільність. Створення таких пристроїв вимагає поєднання біологічної, хімічної, фізичної наук й матеріалознавства [16].Існують дані про застосування наночастинок кремнію в перенесенні генів. Ефективні та безпечні системи перенесення генів необхідні в генній терапії, оскільки їх використовують для лікування різних генетичних хвороб, вірусних інфекцій та різних системних порушень.

Останнім часом розроблені методи перенесення генів для різних типів клітин і тканин від бактерій до ссавців. Наночастинки кремнію у цій ролі привертають особливу увагу завдяки низькій цитотоксичності, високій трансфекційній ефективності, універсальності типів модифікацій, довшому терміну зберігання, можливості повторного використання тощо [9, 15].Наночастинки диоксиду кремнію (SiO₂) володіють ще однією властивістю - якщо їх нанести на який-небудь матеріал, то вони приєднуються до його молекул і дозволяють відштовхувати воду та бруд з поверхні матеріалу. Нанопокриття на основі кремнію, що самостійно очищуються, захищають тканини, скло, камінь, метал, дерево і т.п. Частинки бруду та води не можуть проникнути до поверхні матеріалу і стікають з нього. Одного літру водного розчину наночастинок SiO₂, глибоко проникаючих у волокна тканин, вистачає для обробки 530 м² полотна. Після цього тканина легко пропускає повітря, при цьому не пропускаючи вологу. Покриття даного типу для медичного призначення у якості хірургічних кос-тюмів, халатів, тощо, можуть забезпечити безпечну роботу лікарів стаціонарних та амбулаторних медичних установ. [8, 11].

Застосування нанокремнію в хірургічній стоматології та щелепно-лицевій хірургії. За допомогою нанотехнології виготовляють препарати з мікрокристалами нанорозмірів, завдяки яким змінюються властивості цих медикаментів - поліпшуються адгезивні властивості, їх можливо застосовувати при зв'язуванні мікроорганізмів та продуктів їх життєдіяльності в порожнині рота, наприклад - нанокристали кремнезему або кремнію (препарат "Силікс"). Основна властивість кремнезему - гідрофільність, тобто властивість зв'язувати значну кількість води, "адсорбція" мікроорганізмів та висока здатність сорбувати білок, тому кремнезем сорбує втричі більше білкових сполучень у порівнянні з іншими відомими сорбентами. Величина зв'язування мікроорганізмів складає до 3 млрд. мікробних тіл на 1 г сорбенту. Це явище можна пояснити завдяки високому зв'язувальному ефекту, обумовленому феноменом аглютинації мікроорганізмів частками сорбенту, який за розміром (4-40 нм) набагато менше мікро-організмів.

Останнім часом, у зв'язку з розвитком технічного прогресу збільшується загальна кількість травматичних пошкоджень взагалі та, щелепно-лицевої ділянки зокрема. За даними літератури, частка травматичних пошкоджень щелепно-лицевої ділянки складає від 6% до 17%. Завдяки численним науковим розробкам і дослідженням вітчизняних та зарубіжних вчених вдалося значно поглибити уявлення про патогенез травматичних переломів щелеп, вдосконалити підходи до хірургічного й консервативного лікування. Однак важливим фактом є вплив на частоту гнійно-запальних ускладнень, які виникають на щелепно-лицевій ділянці. Тому можна підкреслити, що головна роль в місцевому лікуванні травматичних переломів кісток обличчя належить антисептичним та антибактеріальним препаратам.

На кафедрі хірургічної стоматології та щелепно-лицевої хірургії (завідувач - член-кореспондент НАМН України, професор В.О. Маланчук) Національного медичного університету імені О.О. Богомольця, проведені дослідження щодо лікування хворих з відкритими травматичними переломами нижньої щелепи шляхом корекції умов перебігу репаративної регенерації та застосуванням нанопрепаратів кремнію в якості антибактеріального лікарського засобу сорбційної і дезінтоксікаційної дії з метою зниження розвитку запальних гнійних ускладнень. "Силікс" - порошок білого або біло-блакитного кольору, призначали в вигляді внутрішньоротових водних іригацій впродовж всього періоду знаходження хворого в стаціонарі.

Під спостереженням знаходилось 120 пацієнтів з відкритими травматичними переломами нижньої щелепи, які були госпіталізовані в клініку не пізніше 3-ї доби після отримання травми. Всі пацієнти були розподілені на дві групи - порівняльна та основна групи. Остання була поділена на три підгрупи в залежності від показників індексу М.М. Соловйова. В порівняльній групі було обстежено 40 пацієнтів, в основній групі - 80, серед них група ІІа складалась з 30 пацієнтів, ІІб - 30 та ІІв - 20 пацієнтів.

Хворим обох груп призначали антибактеріальну терапію, як обов'язковий компонент медикаментозного лікування. Інші медикаментозні засоби призначали за показаннями дотримуючись традиційних схем. У всіх хворих застосовували антибіотики лінкозамідної та цефалоспоринової груп, які за результатами аналізу нами архівних даних, здатні найбільш ефективно протидіяти виникненню ускладнень. Таким чином, в порівняльній групі ми застосовували традиційну схему лікування.

В основній групі запропоновані три схеми лікування, в залежності від показників індексу М.М. Соловйова:В основній групі ІІа (низький ризик виникнення інфекційних ускладнень) додатково до традиційній схемі лікування застосовували препарат поліфенолів винограду "Еноант" за схемою. В основній групі ІІб (середній ризик виникнення інфекційних ускладнень) додатково до традиційній схемі лікування застосовували "Еноант" за схемою та разове внутрішньовенне введення озону в концентрації 3 мг/л. В основній групі ІІв (високий ризик виникнення інфекційних ускладнень) додатково до традиційній схемі лікування застосовували "Еноант" за схемою, разове внутрішньовенне введення озону в концентрації 3 мг/л та "Силікс" в вигляді водної зависі для іригації порожнини роту двічі на добу. Хворим проводили оцінку стану краю ясен у пацієнтів з відкритими переломами нижньої щелепи. Дослідження проводили на 1-шу та 7-му добу після госпіталізації, у пацієнтів обстежували стан ясен (маргінальної і міжзубної), застосовуючи для цього індекс гінгівіту. На 7-му добу у пацієнтів порівняльної групи виявлено наявність гострого катарального гінгівіту середнього ступеню важкості - що в балах відповідає 1,9+0,3. Бактеріальне дослідження мікрофлори порожнини рота проводили на 1-шу та 7-му добу після госпіталізації. Дані отримували шляхом дослідження кількісного та якісного мікробного складу слини, котре проводили стандартним способом. Мазок брали з слизової оболонки та зубоясеневої борозни на ділянці між кликами нижньої щелепи. При дослідженні, монокультури висіювалися в 38+2,1% випадків. Також, впродовж дослідження, отримували данні про інші мікроорганізми, але простежити зміну їх кількості не виявилося можливим.

Показники індексу гігієни в основній ІІ групі в зросли на 7-му добу на 8,3%, що складало 0,2 бала. Індекс гінгівіту відповідав легкій ступені важкості та дорівнював 0,8 балів.Бактеріальне дослідження мікрофлори порожнини рота проводили в основній групі, як і в інших групах, на 1-шу та 7-му добу після госпіталізації. При прийомі препарату "Силіксу" на 7-му добу кількісний мікробний склад порожнини рота, в порівнянні з контрольною групою, зменшився у 10000 разів, а в по-рівнянні з основною групою і контрольною зменшився лише в 10 разів. Це є показовим, беручі до уваги те, що в основній групі контролю показники кількості мікроорганізмів на першу добу були такі ж самі, як і в інших групах.

Таким чином, експериментально доведено, що нанокристали препарату "Силікс" з вказаними властивостями можуть бути застосовані в щелепно-лицевій хірургії та стоматології при лікуванні запальних захворювань слизової оболонки порожнини рота, гнійних ран, гінгівітів, стоматитів, маргінальних періодонтитів, пародонтитів та при лікуванні відкритих травматичних уражень щелеп, за-для зменшення мікробного числа при недостатній та поганій гігієні ротової порожнини при встановлених незнімних фіксуючих апаратів.Застосування "Силіксу" в комплексному лікуванні хворих з відкритими травматичними переломами нижньої щелепи сприяло ще більшому зниженню кількості мікроорганізмів порожнини рота - в 10000 раз у порівнянні з контрольною групою. Отже, доведено, що комплексне місцеве застосування "Силіксу" створює сприятливі умови для епітелізації рани слизової оболонки порожнини рота [1].

ЛІТЕРАТУРА

1. Гордійчук М.А. Комплексне лікування переломів нижньої щелепи при корекції умов репаративних процесів // Дис. канд.мед.наук, 2009. - 151 с.
2. Ермолаева Ю.В. Синтез и некоторые особенноcти структуры и люминесценции монодисперсных гетерочастиц „ядро-оболочка- SiO2/(Lu1-xEux)₂O3 (x = 0.07) / Ермолаева Ю.В., Масалов В.М., Грузинцев А.Н., Якимов Е.Е. // Письма в ЖТФ. - 2010. - Том 36, вып. 15. - C. 94-101.
3. Єрмолаєва Ю. Одержання та дослідження оптичних властивостей гетеронаночас-тинок -ядро-оболонка Siо2/Pbs / Єрмолаєва Ю., Матвєєвська Н., Толмачов О. // ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ. Серія фізична. - 2008. - Вип.41. - С. 158-164.
4. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое - в малом / Рыбалкина М. // 2005. - 436 с.
5. Химия поверхности кремнезема: в 2 ч / Под ред. академика НАН Украины А.А. Чуйко. // К., 2001. - Ч.1. - 736 с.
6. Чуйко А.А. Адсорбционное взаимодействие высокодисперсного кремнезема с биомолекулами / А.А. Чуйко, Н.Н. Власова, Н.А. Давиденко // Медицинская химия и клиническое применение диоксида кремния. - К.: Наукова думка, 2003. - С. 116-152.
7. Chung S.H. The synthesis of silica and silica-ceria, core-shell nanoparticles in a water-in-oil (W/O) microemulsion composed of heptane and water with the binary surfactants AOT and NP-5 / Chung S.H., Lee D.W., Kim M.S., et al. // J Colloid Interface Sci. - 2011. - Vol.355, Iss.1. - P. 70-75.
8. Co-delivery of Doxorubicin and Bcl-2 siRNA by Mesoporous Silica Nanoparticles Enhances the Efficacy of Chemotherapy in Multidrug—Resistant Cancer Cells / A.M. Chen, M. Zhang, D. Wei et al. // Small. — 2009. — №24. — P. 123-129.
9. Knopp D. Review: Bioanalytical applications of biomolecule—functionalized nanometer—sized doped silica particles / D. Knopp, D. Tang, R. Niessner // Analytica Chimica Acta — 2009. — №64. — P. 14-30.
10. Li Q. Bud-like silica nanowires with self-assembled long segmented stems: a novel nanostructure and its growth mechanism / Li Q, Chen Y, Zhang X, et al. // J Nanosci Nanotechnol. - 2010. - Vol.10, Iss.8. - P.5265-5269.
11. Liu S. Silica-Coated Metal Nanoparticles / S. Liu, M.Y. Han // Chem. Asian. J. - 2009. - Vol.18. - P. 1245-1249.
12. Murthy S.K. Nanoparticles in modern medicine: state of the art and future challenges / Murthy S.K. // Int. J. Nanomed. - 2007. - Vol.2. - P. 129-141.
13. Na M. Synthesis of organic-inorganic hybrid sols with nano silica particles and organoalkoxysilanes for transparent and high-thermal-resistance coating films using sol-gel reaction / Na M., Park H., Ahn M. et al. // J Nanosci Nanotechnol. - 2010. - Vol.10, Iss.10. - P. 6992-6995.
14. Smitha S. Synthesis of biocompatible hydrophobic silica-gelatin nano-hybrid by sol-gel process / Smitha S., Shajesh P., Mukundan P. et al. // Colloids Surf B Biointerfaces. - 2007. - Vol.55, Iss.1. - P. 38-43.
15. Song S. Self-assembled rosette nanotubes for incorporating hydrophobic drugs in physiological environments / Song S., Chen Y., Yan Z. et al. // Int J Nanomedicine. -2011. - Vol.6. - P.101-107.
16. Tao Z. Mesoporosity and Functional Group Dependent Endocytosis and Cytotoxicity of Silica Nanomaterials / Z. Tao, B.B. Toms, J. Goodisman // Chem Res Toxicol. -2009.- Vol.21, №9 - P. 13-20.
17. Wang Y. Synthesis of raspberry-like siO2/polystyrene nanocomposite particles via miniemulsion polymerization / Wang Y., Xu H., Gu H. // J Nanosci Nanotechnol. -2009. - Vol.9, Iss. 2. - P. 1571-1576.