Die Wirkung von quartären Ammonium-Polyethylenimin-Nanopartikeln auf die Bakterienanhaftung, Zytotoxizität sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften experimenteller Dentalkomposite

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 17497 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein erhebliches Problem im Zusammenhang mit der Funktion von Kompositen auf Harzbasis für Zahnfüllungen ist sekundäre oder wiederkehrende Karies, die den Grund für die Notwendigkeit einer wiederholten Behandlung darstellt. Die vernetzten quartären Ammonium-Polyethylenimin-Nanopartikel (QA-PEI-NPs) haben sich als vielversprechendes antibakterielles Mittel gegen verschiedene Bakterien erwiesen, darunter auch gegen kariogene Bakterien. Über die Eigenschaften von mit QA-PEI-NPs angereicherten Dentalkompositen auf Dimethacrylat-Polymerbasis ist jedoch wenig bekannt. Diese Forschung wurde an experimentellen Verbundwerkstoffen durchgeführt, die auf einer Bis-GMA/UDMA/TEGDMA-Matrix basieren, die mit 0,5, 1, 1,5, 2 und 3 (Gew.-%) QA-PEI-NPs angereichert und mit zwei Glasfüllstoffen verstärkt ist. Die ausgehärteten Verbundwerkstoffe wurden auf ihre Adhäsion von Streptococcus Mutans-Bakterien, Zelllebensfähigkeit (MTT-Assay) mit 48-Stunden- und 10-Tage-Extrakten, Umwandlungsgrad (DC), Wassersorption (WSO) und Löslichkeit (WSL) sowie Wasserkontaktwinkel getestet (CA), Biegemodul (E), Biegefestigkeit (FS), Druckfestigkeit (CS) und Vickers-Mikrohärte (HV). Die untersuchten Materialien zeigten eine vollständige Reduzierung der Bakterienanhaftung und eine zufriedenstellende Biokompatibilität. Der QA-PEI-NPs-Zusatz hat keinen Einfluss auf die DC-, VH- und E-Werte. QA-PEI-NPs erhöhten die CA (eine günstige Änderung), die WSO und die WSL (ungünstige Änderungen) und verringerten die Biegefestigkeit und Druckfestigkeit (ungünstige Änderungen). Die genannten Änderungen waren für die meisten Verbundwerkstoffe unbedeutend und akzeptabel, mit Ausnahme des höchsten antibakteriellen Füllstoffgehalts. Der Grund für die Verschlechterung einiger Eigenschaften war wahrscheinlich die geringe Kompatibilität zwischen Füllstoffpartikeln und der Matrix; Daher lohnt es sich, die Forschung durch Oberflächenmodifikation von QA-PEI-NPs zu erweitern, um optimale Leistungseigenschaften zu erreichen.

Den neuesten Daten zufolge leiden fast 39 % der Weltbevölkerung an unbehandelter Karies im Milch- oder bleibenden Gebiss und dieser Prozentsatz ist in den letzten 10 Jahren stark gestiegen1,2. Darüber hinaus haben fast 60 % der Jugendlichen und mehr als 90 % der erwachsenen Bevölkerung Zahnkaries erlebt3 – in der ersten Phase der Behandlung erhalten die meisten von ihnen Zahnfüllungen aus photopolymerisierbaren Kompositen auf Harzbasis. Ihre Matrizen basieren auf einer Mischung aus Dimethacrylat-Monomeren wie Bisphenol-A-Glycerolat-Dimethacrylat (Bis-GMA), ethoxyliertem Bisphenol-A-Dimethacrylat (Bis-EMA), Triethylenglykol-Dimethacrylat (TEGDMA) und/oder Urethan-Dimethacrylat (UDMA)4 Es ist möglich, Materialien zu entwickeln, die sich durch vorteilhafte funktionelle Merkmale auszeichnen, einschließlich zufriedenstellender ästhetischer, physikalisch-chemischer und mechanischer Eigenschaften5,6,7.

Das häufigste Problem, das den Austausch von 57 % bis 88 % der harzbasierten Kompositfüllungen verursacht, ist Sekundärkaries8,9. Dies ist in der Regel mit dem Vorhandensein einer Randlücke verbunden, die hauptsächlich durch Polymerisationsschrumpfung verursacht wird, sowie mit dem Vorhandensein von Porositäten oder anderen Unvollkommenheiten bei der Anpassung des Materials an das Zahngewebe10,11 bei gleichzeitiger Anwesenheit pathogener Bakterien und ihrer Stoffwechselprodukte zwischen den Restaurationen und Zähne12. Es wird auch angenommen, dass die bakterielle Adhäsion mit der Biofilmansammlung, die auf der Oberfläche von Kompositrestaurationen auftritt, mit der Entstehung von Sekundärkaries zusammenhängt13,14. Darüber hinaus lösen saure Produkte des Bakterienstoffwechsels nicht nur Zahnmineralien auf, sondern können auch zum Abbau von Kompositrestaurationen führen14. Ein weiteres ernstes Problem ist die verbleibende Karies, die durch die unvollständige Entfernung des Gewebes infizierter Zähne während der Behandlung verursacht wird15. Aus diesen Gründen wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung neuer Harzkomposite mit antibakteriellen Eigenschaften gelegt, um die Besiedlung der Restaurationsoberfläche und/oder der Grenzflächen zwischen Zahn und Restauration durch kariogene Bakterien zu verhindern16,17. Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene experimentelle Strategien in Betracht gezogen. Die Freisetzung antimikrobieller Wirkstoffe ermöglicht in der Regel die Gewinnung hoher lokaler Dosen antimikrobieller Wirkstoffe an bestimmten Stellen und verringert das Risiko einer systemischen Toxizität, die Wirkungsdauer ist jedoch nur von kurzer Dauer und die funktionellen Eigenschaften können häufig abnehmen. Andererseits hat die kontaktabhängige Strategie oft weniger oder keine nachteiligen Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, die antibakterielle Aktivität bleibt länger bestehen, sie ist jedoch relativ schwach und es besteht das Risiko einer weiteren Verringerung durch Oberflächenbiofouling17. Im letzten Jahrzehnt wurde Zahnkompositen, die mit antimikrobiellen Nanopartikeln und Partikeln im Submikrometerbereich wie Silber18, Zinkoxid19, Cellulose-Nanokristall/Zinkoxid-Nanohybriden20, zinkdotierten mesoporösen Siliciumdioxid-Nanopartikeln21, Silber-Natriumhydrogen-Zirkoniumphosphat22 und Titan angereichert sind, große Aufmerksamkeit geschenkt B. Dioxid23 oder Chlorhexidin-Freisetzungssysteme24,25. Einige Arbeiten schlagen die Verwendung ätherischer Öle vor26. Andere polymerisierbare Verbindungen wie Imidazol, mit wasserfreiem dibasischem Calciumphosphat beladenes Chitosan und Chitosanpartikel zeigen vielversprechende antimikrobielle und biofunktionale Eigenschaften27,28. Diese Lösungen zeichnen sich durch einen unterschiedlichen Erfolg in Labortests aus und zu den am häufigsten gemeldeten Problemen zählen verminderte ästhetische Eigenschaften29, Zytotoxizität30 und verminderte mechanische Eigenschaften31,32.

Ein weiteres Nanomaterial, das als antimikrobieller Füllstoff für Verbundwerkstoffe auf Harzbasis in Betracht gezogen wird, sind vernetzte quartäre Ammonium-Polyethylenimin-Nanopartikel (QA-PEI-NPs), bei denen die quartären Ammoniumgruppen auf der Oberfläche für die antibakterielle Aktivität verantwortlich sind33. Die antimikrobielle Aktivität von QA-PEI-NPs gegen standardmäßige grampositive (wie Staphylococcus aureus) und gramnegative (wie Escherichia coli) Stämme und zahlreiche andere pathogene Bakterienstämme wurde nachgewiesen33,34,35,36. Mit einer diversifizierten Methodik wurde außerdem bestätigt, dass QA-PEI-NPs in In-vitro-Tests37,38,39,40 und in einem In-vivo-Experiment sogar gegen intraoralen Biofilm Aktivität gegen das kariogene Bakterium Streptococcus mutans zeigen41. Über andere Konsequenzen der Verwendung von QA-PEI-NPs als Zusatz zu Harz-Verbundmaterialien ist jedoch wenig bekannt, da nur in wenigen Studien modifizierte kommerziell erhältliche Harz-Verbundmaterialien untersucht wurden. Shvero et al.38 zeigen, dass 2 % der QA-PEI-NPs den Umwandlungsgrad modifizierter Verbundwerkstoffe nicht verändern. Beyth et al.39 führten 1 % (Gew./Gew.) QA-PEI-NPs in den Strömungs- und Hybridverbund ein und stellten bei einem von ihnen eine Verringerung der Biegefestigkeit (40 %) fest. Beyth et al. und Yudovin-Farber et al.34,42 führten bis zu 2 Gew.-% QA-PEI-NPs ein und berichteten über keine Veränderungen der Zelllebensfähigkeit nach Zytotoxizitätstests. Barszczewska-Rybarek et al.43 führten komplexere Untersuchungen durch, bei denen bis zu 2 Gew.-% QA-PEI-NPs in die Harzmischung aus 60 Gew.-% Bis-GMA und 40 Gew.-% TEGDMA eingebracht wurden (es wurden keine verstärkenden Füllstoffe verwendet). Sie registrierten eine Zunahme der Wasserlöslichkeit und des Kontaktwinkels, eine Abnahme der Biegefestigkeit (57 %) und der Schlagfestigkeit, antimikrobielle Wirkung und Zytotoxizität wurden jedoch nicht getestet.

Auf der Grundlage des oben Gesagten hat sich gezeigt, dass QA-PEI-NPs vielversprechende antibakterielle Zusatzstoffe für Dentalkomposite auf der Basis photopolymerisierbarer Harze sind. Bisher wurden hauptsächlich die mikrobiologischen Eigenschaften modifizierter kommerzieller Materialien untersucht, während die Verfügbarkeit von Tests zu mechanischen oder physikalisch-chemischen Eigenschaften sehr begrenzt ist. Frühere Tests wurden auch mit QA-PEI-NP-Konzentrationen von nicht mehr als 2 % (w/w) durchgeführt. Es ist auch interessant herauszufinden, ob und wie sich durch die Einführung verstärkender Füllstoffe einige der beim System QA-PEI-NPs – Harzmatrix beobachteten ungünstigen Folgen ändern lassen. Darüber hinaus wurde in keiner früheren Arbeit der Einfluss von QA-PEI-NPs auf die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe untersucht und gleichzeitig die biologischen, physikalisch-chemischen und mechanischen Eigenschaften berücksichtigt, da in jeder der verfügbaren Studien andere kommerziell erhältliche Verbundwerkstoffe berücksichtigt wurden als Ausgangsmaterial modifiziert. Aus methodischen Gründen kann daher die bisherige Forschung nicht als zusammenhängendes Ganzes betrachtet werden. Um zusätzliche Erkenntnisse zu gewinnen, ist es daher notwendig, Tests unter Verwendung experimenteller Modellverbundmaterialien mit genau bekannter Zusammensetzung und einem größeren Bereich von QA-PEI-NP-Konzentrationen durchzuführen. Ziel dieses Artikels ist es, den Mangel an Wissen über die Eigenschaftsbeziehungen von mit QA-PEI-NPs angereicherten Dentalkompositen auf Dimethacrylat-Polymerbasis auszugleichen. Die Forschungshypothese war, dass die Einführung von QA-PEI-NPs in experimentelle Verbundwerkstoffe, die als Zahnrestaurationsmaterialien gelten, eine Reduzierung der anhaftenden kariogenen Bakterien auf Oberflächen ermöglicht und gleichzeitig die gewünschten biofunktionalen Eigenschaften beibehält. Die Nullhypothese war, dass die Einführung von QA-PEI-NPs die genannten Eigenschaften experimenteller Verbundwerkstoffe nicht beeinflussen würde.

Die QA-PEI-NPs wurden mit der von Youdovin-Farber et al.44 beschriebenen Methode synthetisiert, wobei zusätzliche Spezifikationen von Barszczewska-Rybarek43 ausführlich beschrieben wurden. Das Poly(2-ethyl-2-oxazolin) (PEtOx) (Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) wurde in destilliertem Wasser in einem Kolben gelöst, der mit einem Magnetrührer, einem Thermometer und einem Kühler ausgestattet war. Eine wässrige Lösung von Salzsäure (37 Gew.-%, Acros Organics, Geel, Belgien) wurde zugegeben und die Reaktionsmischung unter Verwendung des Ölbads unter Rückfluss erhitzt. Die Mischung wurde abgekühlt (Raumtemperatur) und nicht umgesetzte Salzsäure sowie gebildete Propionsäure wurden unter vermindertem Druck entfernt. Die Rückstandssäure wurde mit einer Natriumhydroxidlösung (Chempur, Piekary Śl., Polen) in destilliertem Wasser auf einen pH-Wert von 9–10 neutralisiert. Das erhaltene weiße PEI wurde aus destilliertem Wasser umkristallisiert, in Methylalkohol gelöst, durch Ausfällen in eisgekühltem Diethylether gereinigt, anschließend filtriert und schließlich unter vermindertem Druck getrocknet. Die Lösung des erhaltenen PEI in wasserfreiem Ethanol (Stanlab, Lublin, Polen) wurde in einen wie zuvor beschrieben ausgestatteten Kolben gegeben, das 1,5-Dibrompentan (Acros Organics, Geel, Belgien) wurde hinzugefügt und die Reaktion wurde 24 Stunden lang unter Rückfluss erhitzt . Als nächstes wurde 1-Bromoctan (Acros Organics, Geel, Belgien) zugegeben und die Mischung erneut 24 Stunden lang unter Rückfluss erhitzt und Bromwasserstoffsäure mit Natriumbicarbonat (Chempur, Piekary Śl., Polen) neutralisiert. Zur Quaternisierungsreaktion wurde die Mischung nach Zugabe von Iodmethan 48 Stunden lang unter Rückfluss erhitzt und die resultierende Iodwasserstoffsäure mit Natriumbicarbonat unter Rückfluss neutralisiert. Die erhaltenen QA-PEI-NPs wurden durch Fällung in destilliertem Wasser, mehrmaliges Waschen mit Hexan (Chempur, Piekary Śl., Polen) und destilliertem Wasser gereinigt, zentrifugiert und schließlich zur Trockne lyophilisiert.

Die Matrix bestand aus Bisphenol-A-glycidylmethacrylat (bis-GMA), Urethandimethacrylat (UDMA) und Triethylenglykoldimethacrylat (TEGDMA), gemischt in einem Gewichtsverhältnis von 40:40:20 bzw. 0,4 % (w/w). Kampferchinon als Photosensibilisator und 1 % (Gew./Gew.) N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) als Photobeschleuniger (alle Inhaltsstoffe gekauft von Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA). Bei den verstärkenden Füllstoffen handelte es sich um zwei Arten von silanisiertem Bariumborosilikatglas mit einer mittleren Partikelgröße von 2 μm (Schott AG, Landshut, Deutschland) und 0,7 μm (Esschem, Linwood, PA, USA), die jeweils im Gewichtsverhältnis 65:35 verwendet wurden .

Die QA-PEI-NP-Nanopartikel wurden in Konzentrationen von 0,5, 1, 1,5, 2, 3 % (Gew./Gew.) zusammengesetzt und die zur Herstellung der Verbundstoffe erforderlichen Massen wurden nach der Gleichung berechnet:

wobei mQA-PEI-NP die Masse der QA-PEI-NPs war, g; cQA-PEI-NP war die QA-PEI-NPs-Konzentration, % (Gew./Gew.); mc war die Matrix mit Glasfüllstoffmasse (konstant), g.

Die Füllstoffe wurden in 50-ml-Bechergläsern bei Raumtemperatur in einer Dunkelkammer mit einer roten LED-Lampe vermischt. Alle Verbundwerkstoffe wurden auf der Grundlage eines 35-g-Anteils der Matrix und verstärkender Füllstoffe hergestellt. Die Compoundierung erfolgte schrittweise in Standardportionen von maximal 0,25 g Füllstoffen (kleiner für die 0,5 % QA-PEI-NPs oder für die letzten Füllstoffportionen) in der folgenden Reihenfolge: QA-PEI-NPs, 0,7 µm Glas, und 2 µm Glas. Die Compoundierung erfolgte durch mehrfaches, aufeinanderfolgendes Verteilen und Mischen der Zusammensetzung. Der Compoundierungsprozess für eine 35-g-Portion Komposit dauerte etwa 2 bis 2,5 Stunden – bei höheren Konzentrationen war aufgrund der erhöhten Viskosität eine längere Zeit erforderlich. Die vorbereiteten Materialien wurden 2 Stunden lang in einem modifizierten Vakuumrührer (Twister Evolution, Renfert, Deutschland) einem Druck von 80 mbar ausgesetzt, um beim Compoundieren entstandene Luftblasen zu entfernen, und schließlich in dunkle Apothekengläser überführt, wo sie sicher aufbewahrt wurden.

Photopolymerisationen wurden in teflonscheibenähnlichen Formen (Umwandlungsgrad (DC), Druckfestigkeit (CS), Vickers-Mikrohärte (HV)) und Edelstahlformen (mikrobiologische Tests, Wassersorption (WSO) und Löslichkeit (WSL)) durchgeführt. Wasserkontaktwinkel (CA), Biegemodul (E), Biegefestigkeit (FS)). Die Form wurde auf einen Objektträger gelegt, Material wurde in die Form gepackt, mit 50 µm dicker Polyesterfolie und einem weiteren Objektträger abgedeckt, der 1 Minute lang gedrückt wurde, um überschüssiges Material zu entfernen. Alle Proben wurden zwischen zwei 50-W-LED-Panels bestrahlt, die jeweils 25 mm × 25 mm groß waren und mit 50 BRIDGELUX 45mil-Dioden mit einer optischen Wellenlänge von 440–450 nm (Fremont, USA) ausgestattet waren. Die Bestrahlungszeit betrug 40 s bei Raumtemperatur. Nachdem die Polymerisationsobjektträger und die Folie entfernt worden waren, wurde überschüssiges Material entfernt, die Proben wurden aus den Formen gedrückt, mit destilliertem Wasser gespült und in destilliertem Wasser unter dunklen Bedingungen bei 37 °C für 24 Stunden gelagert.

Der experimentelle Verbundstoff ohne Zusatz von QA-PEI-NPs wurde als Kontrollmaterial verwendet, aber um seine mikrobiologischen Eigenschaften mit kommerziell erhältlichen Produkten zu vergleichen, wurden zusätzliche Tests mit dem Verbundstoff Arkona Boston (AB) (Arkona Laboratory of Dental Pharmacology, Polen) durchgeführt . AB besteht aus Bis-GMA, TEGDMA, UDMA, Bis-EMA, Füllstoffen mit einer Größe von 20 nm bis 2 µm (Bariumborosilikatglas und Siliziumdioxid) und dem photoaktivierenden System CQ:DMAEMA.

Aufgrund des Einflusses der Oberflächenrauheit auf die Ergebnisse mikrobiologischer Tests (Anhaftung von Bakterien und Zelllebensfähigkeitstest) wurden diese Proben zur Standardisierung der Oberfläche mit Schleifpapier der Körnung P500 nass geschliffen und mit destilliertem Wasser gespült. Ziel war es, eine vergleichbare Oberflächenbearbeitung zu erreichen, die mit einem Kontaktprofilometer Surtronic 25 (Taylor-Hobson, UK) kontrolliert (Ra) wurde. Auf jeder Oberfläche (oben und unten) wurden 3 Messungen (radial) durchgeführt und der Mittelwert als Rauheitswert für Probe 45 verwendet. Die Länge des Messpfades betrug 0,8 mm und der Bereich 10 µm. Die Ergebnisse wurden dann statistischen Analysen unterzogen, um zu bestätigen, dass es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen gab.

Bakterienadhäsionstests wurden durch Inkubieren von scheibenförmigen Proben mit einer Größe von 10 mm × 1,5 mm (Durchmesser × Dicke) durchgeführt. Die Oberflächen aller Proben wurden mit Schleifpapier der Körnung P500 nassgeschliffen. Alle Proben wurden 18 Stunden lang in 1 ml Streptococcus mutans ATCC 33535-Bakteriensuspension ~ 5 × 106 KBE/ml (KBE – koloniebildende Einheiten) bei 37 °C gegeben. Die Proben wurden mit sterilem Wasser gereinigt und in 1 ml sterilem Wasser gevortext (1 Minute, 3000 U/min). 100 µL der Bakteriensuspensionen wurden seriell mit 0,9 % NaCl verdünnt. 100 µL dieser Lösungen und 100 µL unverdünnte Bakteriensuspensionen wurden auf Columbia-Agar (bioMerieux, Marcy l'Etoille, Frankreich) mit 5 % Schafblutplatten ausgesät. Die kultivierten Platten wurden schließlich 24 Stunden lang bei 37 °C inkubiert und die Anzahl der an den Oberflächen anhaftenden Bakterien wurde durch Zählen der Kolonien bestimmt.

Extrakte der getesteten Verbundwerkstoffe wurden gemäß dem Verfahren gemäß der Norm EN ISO 10993-5:2009 gewonnen. Proben jedes der getesteten Materialien wurden einzeln in die Vertiefungen einer 24-Well-Platte in einem Volumen von 2 ml Kulturmedium gegeben, dessen Zusammensetzung in seiner Zusammensetzung mit dem Medium identisch war, das für die Kultur von Fibroblasten der Linie L-929 verwendet wurde Studien. Die vorbereiteten Platten wurden bei 37 °C in einer Atmosphäre mit 5 % CO2 für 2 oder 10 Tage inkubiert, wodurch 2-Tage- und 10-Tage-Extrakte erhalten wurden. Unter den gleichen Bedingungen wie für die Mischproben wurde als Kontrolle auch das Kulturmedium selbst in den Vertiefungen der Platte inkubiert. Nach der Inkubation gesammelte Extrakte und Kontrollmedien wurden bei –80 °C gelagert, bis Tests zur Beurteilung der Lebensfähigkeit von L-929-Zellen durchgeführt wurden.

In In-vitro-Studien wurden Mausfibroblasten der L-929-Linie (NCTC-Klon 929) verwendet, die von der American Type Culture Collection (Manassas, VA, USA) erworben wurden. Die Zelllinie L-929 (ATCC, Katalognummer CCL-1) bestand aus subkutanen Bindegewebsfibroblasten von Mäusen des Stammes C3H/An. ATCC formulierte Eagle's Minimum Essential Medium (EMEM) mit 10 % Pferdeserumpenicillin (100 IU/ml) und Streptomycin (100 μg/ml) wurde für L-929-Zellen verwendet. Die Zellkultur wurde in 25-cm2-Polystyrolflaschen zur Kultivierung adhärenter Zellen durchgeführt (Nunc EasYFlasksTM NunclonTMDelta von Nunc A/S, Roskilde, Dänemark). Die Zellen wurden kontinuierlich in einem MCO-17 AIC-Inkubator von Sanyo (Japan) gezüchtet, der konstante Kulturbedingungen lieferte (37 °C, 5 % CO2-Atmosphäre bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit). Die Zellen wurden in Abständen von 2–3 Tagen passagiert. Für experimentelle Studien wurde eine Suspension mit einer Enddichte von 1 × 105 Zellen/ml Medium verwendet. Die Dichte der Zellsuspension wurde mikroskopisch unter Verwendung einer Burker-Kammer bestimmt.

Die Zytotoxizitätsbewertung der getesteten Verbundwerkstoffe wurde gemäß den Empfehlungen der Norm EN ISO 10993-546 durchgeführt. Modell-L-929-Zellen (Mausfibroblasten) wurden unter In-vitro-Kulturbedingungen 24 Stunden lang mit unverdünnten Extrakten kontaktiert. Nach 24-stündiger Inkubation wurde die Lebensfähigkeit der Zellen mithilfe des Brom-3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5-diphenyltetrazolium-Assays (MTT-Assay) beurteilt. In diesem Test ermöglichte die Messung der mitochondrialen Dehydrogenase-Aktivität die Bestimmung des Prozentsatzes lebender Zellen in Kulturen, die mit einem bestimmten Extrakt in Kontakt kamen, und somit die Bestimmung der Zytotoxizität der getesteten Verbundstoffe. Gemäß den Empfehlungen der Norm EN ISO 10993-5 wurde eine Verringerung der Lebensfähigkeit der mit den getesteten Extrakten kontaktierten Zellen um mehr als 30 % im Vergleich zur Kontrollzellkultur (Lebensfähigkeit unter 70 %) als zytotoxische Wirkung angesehen.

In die Vertiefungen einer Mikroplatte mit 96 Vertiefungen wurden 100 µL L-929-Zellsuspension mit einer Dichte von 1 × 105 Zellen/ml (10.000 Zellen/Vertiefung) in RPMI 1640-Medium mit 10 % FBS und Penicillin (100 IU/ml) gegeben. und Streptomycin (100 μg/ml). Nach 24-stündiger Inkubation bei 37 °C in einer Atmosphäre mit 5 % CO2 und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit wurden die Überstände entfernt und 100 μl unverdünnter Extrakt einer spezifischen Testzubereitung oder eines Mediums nach der parallel zur Gewinnung von Extrakten durchgeführten Inkubation zugegeben. Die Kontrollkultur bestand aus Zellen, die mit frischem Kulturmedium kontaktiert wurden. Nach 24-stündiger Inkubation bei 37 °C in einer Atmosphäre von 5 % CO2 und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit wurde nach Entfernung des Kulturmediums MTT-Lösung mit einer Endkonzentration von 1,1 mM in frischem Kulturmedium in jede Vertiefung verteilt. Nach 3-stündiger Inkubation bei 37 °C in 5 % CO2 und konstanter relativer Luftfeuchtigkeit wurden die Überstände entfernt und 200 µL DMSO zu den Test- und Kontrollkulturen gegeben, um MTT-Formazan zu extrahieren. Nach 20 Minuten wurden 150 μl der Lösung aus jeder Vertiefung entnommen und ihre Absorption bei 550 nm mit dem automatischen Plattenlesegerät Eon (BioTek Instruments, Winooski, VT, USA) bestimmt. Die Intensität der violetten Farbe der Lösung war direkt proportional zur gebildeten Formazanmenge und damit zur Anzahl lebensfähiger Zellen.

Die Lebensfähigkeit der Zellen (%) wurde anhand der folgenden Formel berechnet:

wobei: Ab – die Absorption der Testprobe, Ak – die Absorption der Kontrolle.

Der DC wurde aus den mit dem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (Spectrum Two, Perkin-Elmer, Waltham, MA, USA) erhaltenen Spektren bestimmt. Die Proben wurden in Form von KBr-Pellets mit 128 Scans bei einer Auflösung von 1 cm−1 analysiert. Der DC wurde aus der Abnahme der Absorptionsbande bei 1637 cm−1 berechnet, die sich auf die C=C-Streckschwingung (AC=C) bezieht, im Verhältnis zum Peak bei 1608 cm−1, der den aromatischen Streckschwingungen (AAr) zugeordnet ist die folgende Gleichung47:

Aus jedem Verbundwerkstoff wurden fünf zylindrische Proben (6 mm Durchmesser und 3 mm Höhe) hergestellt. An jeder Probe wurden fünf Eindrücke angebracht, und die Durchschnittswerte werden als Härte angegeben. Die Messungen wurden bei einer Belastung von 0,4905 N (0,05 kgf) und einer Belastungszeit von 15 s48 (Mikrohärteprüfgerät Future-Tech FM-700, Future-Tech Corp, Tokio, Japan) durchgeführt und die Vickers-Härte anhand des Durchschnitts automatisch berechnet Länge der vom Eindringkörper hinterlassenen Diagonale.

Aus jedem Verbundwerkstoff wurden zehn zylindrische Proben (4 mm Durchmesser und 8 mm Höhe) hergestellt, die jedoch nach der Entnahme aus den Formen gemäß der Empfehlung von Galvão et al.49 zusätzlich an den Seitenflächen mit Licht bestrahlt wurden. Die Tests wurden mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,5 mm/min an einer Universalprüfmaschine (Zwick Z020 GmbH & Com, Ulm, Deutschland) durchgeführt und die CS-Werte nach der Gleichung berechnet:

wobei: CS – die Druckfestigkeit, MPa; F – Kraft beim Bruch, N; A – die anfängliche Querschnittsfläche, mm2.

Dreipunkt-Biegeversuche wurden mit einer Universalprüfmaschine gemäß der Norm ISO 404950 durchgeführt. Aus jedem Material wurden zehn Stabproben mit den Maßen 25 mm × 2 mm × 2 mm (Länge × Breite × Dicke) hergestellt. Die Traversengeschwindigkeit betrug 0,75 mm/min und der Abstand zwischen den Stützen betrug 20 mm. FS-Festigkeit und E wurden mit den folgenden Formeln berechnet:

wobei: l – der Abstand zwischen den Stützen, mm; b und h – die Breite und Höhe, mm; P – die maximale Kraft, N; P1 – die Last am gewählten Punkt im elastischen Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms, kN; δ – die Auslenkung in P1.

Der Test wurde gemäß ISO 404950 durchgeführt. Fünf Proben jedes Materials (mit einem Durchmesser von 15 mm und einer Höhe von 1 mm) wurden in Exsikkatoren mit frisch getrocknetem Kieselgel bei 37 ± 1 °C getrocknet und täglich gewogen (Analysewaage AS 60). /220.X2.PLUS, Radwag, Polen) mit einer Genauigkeit von 0,1 mg, um einen konstanten Wert der Masse m1 zu erreichen (tägliche Änderungen < 0,1 mg). Die Proben wurden separat für 7 Tage in 10 ml destilliertes Wasser bei 37 ± 1 °C gelegt und mit Filterpapier schnell von sichtbarer Feuchtigkeit getrocknet, m2-Massenwerte wurden registriert und das Trocknen wurde wiederholt, um konstante Massenregister als m3 zu erhalten. Der WSO und der WSL wurden nach folgenden Formeln berechnet:

wobei ml – die Anfangsmasse der getrockneten Probe, µg; m2 – die Masse nach der Lagerung, µg, m3 – die Masse nach der zweiten Trocknung, µg; und V – das Volumen der Probe nach dem ersten Trocknen, mm3.

Die fünf polymerisierten Verbundwerkstoffe wurden mit einem Goniometer (OCA 15EC, Data Physics, Filderstadt, Deutschland) auf den Wasserkontaktwinkel (CA) getestet. Entionisiertes Wasser (4 µL) wurde mittels der Methode des sessilen Tropfens auf die getestete Oberfläche getropft.

Die statistische Analyse wurde mit PQStat Version durchgeführt. 1.6.6.204 (PQStat Software, Polen). Die Residuenverteilungen wurden mit Shapiro-Wilk getestet, die Gleichheit der Varianzen wurde mit dem Levene-Test getestet und eine einfaktorielle ANOVA mit einer möglichen F*-Korrektur (Brown-Forsythe) sowie Tukey-HSD-Post-hoc-Tests wurden verwendet (für alle Tests α = 0,05). Die Ergebnisse mikrobiologischer Tests wurden mithilfe des nichtparametrischen Kruskal-Wallis-Tests (α = 0,05) mit dem Dunn-Bonferroni-Post-hoc-Test und dem Mann-Whitney-U-Test statistisch ausgewertet.

Die Anzahl der an den Oberflächen haftenden lebenden S. mutans-Bakterien nahm nach der Einführung von QA-PEI-NPs signifikant ab (p < 0,0001) (Tabelle 1, Abb. 1). Bei Kompositen mit QA-PEI-NPs wurden keine anhaftenden Bakterien beobachtet, bei Kontrollkompositmaterial betrug der Durchschnittswert 17,03 × 102 KBE/ml, während der Durchschnittswert für das kommerzielle Komposit (AB) bei 11,56 × 102 KBE/ml lag und die Unterschiede registriert wurden waren statistisch nicht signifikant (Ergänzungstabelle 1).

Repräsentative Bilder, die die Ergebnisse des Streptococcus mutans ATCC 33535-Adhärenztests zeigen – kultivierte Platten nach Inkubation mit unverdünnten Bakteriensuspensionen.

Die mittleren Lebensfähigkeitswerte von L-929-Zellen für die Extrakte der getesteten Materialien sind in Tabelle 1 und Abb. 2 dargestellt (die detaillierten Ergebnisse sind in der Ergänzungstabelle 2 zusammengefasst). Bei 2-Tages-Extrakten gab es keinen statistisch signifikanten Unterschied (p = 0,2795) zwischen den Ergebnissen für das Kontroll-Komposit (89,6 %) und die experimentellen Komposit-Ergebnisse. Für 3 % QA-PEI-NPs war der durchschnittliche Lebensfähigkeitswert jedoch niedriger als bei anderen Materialien (82,2 %). Die Extrakte zeigten 10 Tage lang eine statistisch signifikante Abnahme (p = 0,0145) der Lebensfähigkeit und der Post-hoc-Test bestätigte, dass die Lebensfähigkeit der Zellen im Vergleich zum Kontrollmaterial (Zelllebensfähigkeit betrug 91,1 %) bei 3 % QA-PEI-NPs abnahm (p = 0,0118), bei dem der niedrigste Wert beobachtet wurde (78,5 %). Die Verringerung der Lebensfähigkeit von L-929-Zellen aufgrund der Verlängerung der Zeit bis zur Gewinnung des Extrakts wurde für mit QA-PEI-NPs angereicherte Materialien registriert; es war jedoch statistisch nicht signifikant (p > 0,05). Ein zusätzliches Experiment (Ergänzungstabelle 3) bestätigte, dass es keine statistisch signifikanten Unterschiede in der Lebensfähigkeit der Zellen für das Kontrollkomposit und das im Handel erhältliche Produkt gab. Repräsentative mikroskopische Bilder von L-929-Zellen, die für die experimentelle Vorbereitung im Vergleich zu Kontrollkulturen anhaftender L-929-Zellen erhalten wurden, sind in Abb. 3 dargestellt.

Repräsentative Bilder von Zellen der L-929-Linie nach 24-stündiger Inkubation mit unverdünnten 2-tägigen (a) und 10-tägigen (b) Extrakten des experimentellen Kontrollkomposits (0 % QA-PEI-NP) nach MTT-Assay, 2 Tage (c) und 10 Tage (d) Extrakte des experimentellen Verbundstoffs mit 3 % QA-PEI-NP nach dem MTT-Test, Kontrollkultur anhaftender L-929-Zellen vor dem MTT-Test (e) und Kontrollkultur anhaftender L-929-Zellen nach dem MTT-Test (F).

Repräsentative Bilder von entionisierten Wassertröpfchen auf den Verbundoberflächen, aufgenommen mit der Goniometriekamera.

Der HV der Verbundwerkstoffe lag zwischen 47,4 HV0,05 und 50,3 HV0,05 und es gab keine statistisch signifikanten Unterschiede (p = 0,052) zwischen den Durchschnittswerten (Tabelle 2).

Der CS der Verbundwerkstoffe lag zwischen 219,5 MPa und 317,7 MPa (Tabelle 2), und mit zunehmenden QA-PEI-NP-Konzentrationen kam es zu einer statistisch signifikanten (p < 0,0001) Abnahme. Für Verbundwerkstoffe mit QA-PEI-NPs-Konzentrationen ab 1 % waren die CS-Werte deutlich niedriger als für das Kontrollmaterial (ab p = 0,0001), es gab jedoch keine signifikanten Unterschiede zwischen Materialien, die mit 1,5 % bis 2 % und 2 % angereichert waren. bis 3 % QA-PEI-NPs (p > 0,05).

Der FS von Verbundwerkstoffen lag zwischen 78,0 MPa und 100,1 MPa (Tabelle 2) und nahm mit zunehmendem QA-PEI-NP-Gehalt statistisch signifikant ab (p < 0,0001). Statistisch signifikante Rückgänge wurden für Verbundstoffe registriert, die mit 2 % (p = 0,0008) und 3 % (p = 0,0002) QA-PEI-NPs angereichert waren. Die E-Werte lagen zwischen 7,3 und 7,8 GPa und es gab keine statistisch signifikanten (p = 0,169) Unterschiede zwischen den Durchschnittswerten.

Der DC der Verbundstoffe lag zwischen 59,8 % und 64,2 % und es gab keine statistisch signifikanten (p = 0,9451) Unterschiede zwischen den Durchschnittswerten (Tabelle 3).

Der WSO der Verbundstoffe lag zwischen 20,0 µg/mm3 und 25,1 µg/mm3 und stieg mit steigendem QA-PEI-NPs-Gehalt (p < 0,0001) (Tabelle 3). Statistisch signifikante Unterschiede im Vergleich zum Kontrollmaterial wurden für die Konzentration von 1,5 % QA-PEI-NPs (p = 0,0019, 18 % Anstieg), 2 % QA-PEI-NPs (p = 0,001, 18 % Anstieg) und für registriert der höchste Gehalt (p = 0,0001, der Anstieg betrug 25 %). Bei den meisten experimentellen Verbundwerkstoffen unterschieden sich die durchschnittlichen WSO-Werte statistisch nicht signifikant, statistisch signifikante Unterschiede wurden jedoch für 3 % QA-PEI-NPs im Vergleich zu 0,5 QA-PEI-NPs (p = 0,0119) und 1 QA-PEI-NPs registriert. NPs (p = 0,0223). Die WSL der Verbundstoffe lag zwischen 2,6 µg/mm3 und 5,6 µg/mm3. Der zunehmende QA-PEI-NP-Gehalt verursachte einen allmählichen Anstieg der WSL-Werte (p = 0,0017), statistisch signifikant waren die Unterschiede jedoch nur für die höchste QA-PEI-NP-Konzentration, wo es im Vergleich zur Kontrolle zu einem abrupten Anstieg von 119 % kam Material. Die statistisch signifikanten Unterschiede wurden für das Kontrollmaterial, 0,5 % QA-PEI-NPs und 1 % QA-PEI-NPs vs. 3 % QA-PEI-NPs, registriert (p = 0,0006, p = 0,0364, p = 0,465). .

Der CA der Verbundwerkstoffe lag zwischen 73,0° und 77,9°. Eine zunehmende QA-PEI-NP-Konzentration führte zu einem allmählichen Anstieg der CA-Werte (p = 0,0017). Die Unterschiede waren statistisch signifikant für die höchste QA-PEI-NP-Konzentration und das Kontrollmaterial (p = 0,0088, der Anstieg betrug 7 %), 0,5 % QA-PEI-NPs (p = 0,0059) und 1 % QA-PEI-NPs (p). = 0,02) Verbundwerkstoffe.

Die Entwicklung von antibakteriellen Kompositen auf Harzbasis ist einer der wichtigsten Forschungszweige für direkte Zahnfüllungsmaterialien. In dieser Studie wurden QA-PEI-NPs, die mit der zuvor beschriebenen Methode43,51 synthetisiert wurden und durch eine durchschnittliche Größe von 151 nm gekennzeichnet waren, was als optimal angegeben wurde43, in eine repräsentative Bis-GMA-TEGDAM-UDMA-Matrix eingebracht und schließlich mit zwei Glas vermischt verstärkende Füllstoffe52.

Die antimikrobielle Wirkung von QA-PEI-NPs gegen kariogene Bakterien wurde in früheren In-vitro-Studien dokumentiert. Beyth et al.39 und Shvero et al.38 fanden heraus, dass kommerziell erhältliche Fluss- und Hybridkomposite, die mit 1 % QA-PEI-NPs modifiziert wurden, in einem Direktkontakttest eine dauerhafte antibakterielle Aktivität gegen S. mutans aufweisen und eine starke Aktivität während 24-Stunden-Kontakt bestätigt wurde durch REM-Untersuchungen. Ähnliche Ergebnisse wurden mit einer analogen Methodik für weitere modifizierte kommerzielle Verbundwerkstoffe erzielt37,40. Bei diesen Untersuchungen wurden nur Formulierungen getestet, die 1 % und 2 % enthielten. In unserer Studie wurde eine starke antibakterielle Aktivität gegen S. mutans auch für eine niedrigere Konzentration (0,5 %) mit einer anderen Methodik bestätigt, da das aktuelle Experiment auf der Anhaftung von Bakterienzellen an den Probenoberflächen basierte. Aufgrund der Art des Tests wurde auf die Endbearbeitung der Probenoberfläche geachtet, da die Rauheit mit der Anhaftung von Bakterien an den Verbundwerkstoffen zusammenhängt53,54. Alle Proben wurden geschliffen, wobei Schleifpapier ausgewählt wurde, das eine bei der Qualitätskontrolle gemessene Rauheit von ~ 0,35 µm (von 0,27 bis 0,4 µm) ergab, was den typischen Werten nach Fertigstellung der Füllungen unter klinischen Bedingungen entspricht, die im Bereich von 0,1 µm bis 0,6 µm liegen ( normalerweise von 0,25 µm bis 0,4 µm)55,56,57,58,59. Die antibakterielle Wirkung der verwendeten NPs hängt mit den Eigenschaften positiv geladener quartärer Ammoniumgruppen von QA-PEI zusammen, die mit negativ geladenen bakteriellen Zellwänden interagieren und dessen elektrisches Gleichgewicht stören, was schließlich zu einer Verringerung seiner osmoregulatorischen und physiologischen Funktionen führt Membran, was zum Zelltod führt60. Das Einbringen dieses Polymeradditivs in Form auf NPs ist vorteilhaft, da seine spezifische Oberfläche außergewöhnlich groß ist und daher niedrige Konzentrationen verwendet werden können, um eine antimikrobielle Aktivität zu erzielen61. Voraussetzung für den Erfolg ist jedoch eine homogene Verteilung des antimikrobiellen Füllstoffs62, die nahe bei 1 NP/µm2 liegen sollte, um sicherzustellen, dass sein Kontakt zu einer Aktivität gegen Bakterien führt38. Unsere Forschung hat gezeigt, dass es auch bei einer niedrigeren Konzentration an QA-PEI-NPs als bisher möglich ist, eine ausreichende Verteilung der Partikel zu erreichen, um das Überleben kariogener Bakterienzellen auf der Oberfläche zu verhindern. Eine Einschränkung, die darauf hindeutet, dass bei der Interpretation der Ergebnisse Vorsicht geboten ist, könnte die Tatsache sein, dass die Adsorption von Speichelinhaltsstoffen an der Oberfläche und die Bildung von Biofilmen auf den Füllungen möglicherweise die antibakteriellen Gruppen von QA-PEI-NPs abdecken, unabhängig von den Ergebnissen einer In-vivo-Experiment, das darauf hindeutet, dass die antibakterielle Wirkung nach 4 Stunden Biofilmbildung immer noch wirksam ist41.

Biokompatibilitätstests zeigten, dass die Lebensfähigkeit der Zellen bei Inkubationszeiten über 70 % lag, sodass keines der Materialien sowohl nach zwei als auch nach zehn Tagen Extraktion zytotoxische Eigenschaften aufwies46. Darüber hinaus gab es bei allen Materialien keine Unterschiede in der Lebensfähigkeit der Zellen nach zweitägiger Inkubation, was im Einklang mit früheren Zytotoxizitätsuntersuchungen steht, die mit unterschiedlichen Methoden und Zelllinien für Verbundstoffe mit bis zu 2 % QA-PEI-NPs durchgeführt wurden34,42. Nach einer zehntägigen Extraktion der Proben mit der höchsten Konzentration wurde im Vergleich zum Kontrollmaterial ein Rückgang der Zelllebensfähigkeit um 14 % beobachtet. Andere Studien berichteten, dass QA-PEI-NP-Suspensionen die Lebensfähigkeit der Zellen im Zytotoxizitätstest verringerten, Zytotoxizität jedoch nur bei Konzentrationen auftrat, die einige Male höher waren als zur Erzielung einer antibakteriellen Wirkung erforderlich63. Dies steht im Einklang mit unseren Ergebnissen. Yudovin-Farber et al.44 schlugen vor, dass die durch QA-PEI-NPs verursachte Verringerung der Zelllebensfähigkeit im Zytotoxizitätstest gegen Säugetierzellen mit einer starken positiven Ladung der Nanopartikel zusammenhängt, sodass ihre Wirkung der zuvor beschriebenen analog ist Prokaryotische Zellen. Es wird jedoch betont, dass der Mechanismus der Bindung an Zellwände, der durch direkte Wechselwirkungen oder durch die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies zu einer Membranstörung führt, in Säugetierzellen viel weniger toxisch ist als in Bakterien, da die ersten NPs phagozytieren und durch lysosomale Fusion abbauen können bis zu einem gewissen Grad mit letztendlich reduzierter Toxizität63,64. Dies könnte der Grund dafür sein, dass die Verringerung der Lebensfähigkeit der Fibroblastenzellen selbst nach einer längeren Zeit als üblich für die Gewinnung von Extrakten selbst bei der höchsten Konzentration an QA-PEI-NPs, die mit ihrem Vorhandensein auf der Oberfläche und/oder ihrer Auswaschung verbunden ist, immer noch gering war.

Der Grad der Umwandlung von Doppelbindungen ist ein wichtiges Merkmal von Dentalkompositen auf Basis von Dimethacrylat-Monomeren, da das Risiko biologischer Reaktionen des Pulpagewebes im Zusammenhang mit der Freisetzung von Monomeren besteht65 sowie der Einfluss auf mechanische und physikalisch-chemische Eigenschaften66. Unsere Ergebnisse stimmen mit den früheren Ergebnissen überein, bei denen 2 % der QA-PEI-NPs die DC-Werte der modifizierten kommerziellen Verbundwerkstoffe38 und der Bis-GMA/TEGDMA-Matrix43 nicht signifikant veränderten. Die DC-Werte waren auch typisch für Formulierungen auf Basis ähnlicher Dimethacrylatsysteme67. Wenn Licht mit zunehmender Dichte durch das feste Material geht, beispielsweise einen gefüllten Verbundwerkstoff, nimmt seine Intensität ab68. Darüber hinaus streuen und absorbieren die Verbundbestandteile wie Füllstoffe Licht effektiver als die Matrix, wodurch die Leistungsdichte mit der Entfernung von der Probenoberfläche abnimmt und schließlich die DC-Werte sinken. halb so groß wie die Wellenlänge des Polymerisationslichts70. Unsere früheren Arbeiten im Zusammenhang mit der Charakterisierung der QA-PEI-NPs zeigten nur einen geringen Prozentsatz an Partikeln dieser Größe im synthetisierten Pulver43 und die Konzentrationen der QA-PEI-NPs waren im Vergleich zu denen von niedrig (max. 3 %). Der Gehalt an anderen Füllstoffen reichte daher nicht aus, sodass ihr Einfluss auf die zusätzliche Streuung oder Absorption von Licht nicht ausreichte, um den Gleichstrom von Verbundwerkstoffen signifikant zu beeinflussen. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass eine Erhöhung des Gehalts an QA-PEI-NPs zu solchen Veränderungen führen könnte. Es wurde erkannt, dass die potenzielle Verringerung des DC nach der Einführung neuer antimikrobieller Füllstoffe mit einer Abnahme der Mikrohärte zusammenhängt22,71, was mit unserer Forschung übereinstimmt, da sich sowohl der DC- als auch der Härtewert nicht wesentlich veränderten. In diesem Zusammenhang bestätigen Mikrohärtemessungen den Erhalt vorteilhafter Eigenschaften der Polymermatrix. Andererseits erhöht die Einführung keramischer Füllstoffe in der Regel die Härte aufgrund ihrer Eigenschaften und der hohen Grenzflächenscherfestigkeit zwischen dem Nanofüllstoff und der Harzmatrix, was den Widerstand gegen lokale plastische Verformung erhöht72. Allerdings können die in dieser Arbeit verwendeten Nanopartikel aufgrund der vergleichbaren Härte von antimikrobiellen Polymeren und typischen Polymermatrizen von Dentalkompositen73,74 nicht zu einer Erhöhung der Härte führen. In diesem Zusammenhang wurden positive Ergebnisse erzielt. Darüber hinaus sollten stabile Mikrohärtewerte als vorteilhaft angesehen werden, da eine Verringerung der Härte zu erhöhtem Verschleiß75,76 und dem Verschlucken von mehr Reibungsprodukten mit gekauter Nahrung und Speichel führen kann.

Drei mechanische Eigenschaften auf der Makroskala wurden analysiert: Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Biegemodul. Beim Kauen entstehen Druckkräfte, insbesondere wenn Kompositfüllungen ein großes Volumen an Zahngewebe ersetzen77, während Biegekräfte in belasteten Kavitäten für Restaurationsklassen I, II und IV besonders wichtig sind78. Der Rückgang der CS-Werte war bei mit QA-PEI-NP angereicherten Materialien signifikant, mit Ausnahme eines Materials, das 0,5 % Füllstoff enthielt; bei Konzentrationen von 1 % waren es jedoch 14 % und bei 3 % 31 %. Die empfohlenen CS-Werte sind vergleichbar mit der plastischen Grenze von Zahngewebe49,79, deren Durchschnittswerte bei bis zu 170 MPa für Dentin und bis zu 225 MPa für Zahnschmelz liegen80. Dies weist darauf hin, dass bis zu 1,5 % der QA-PEI-NP-CS-Werte völlig zufriedenstellend waren, ab 2 % jedoch in einigen Fällen möglicherweise nicht die volle Ausnutzung der Tragfähigkeit des Zahngewebes möglich ist. Die Wirkung von QA-PEI-NPs auf CS-Verbundwerkstoffe wurde in der Vergangenheit nicht untersucht; Die Einführung von metallischen oder keramischen antibakteriellen Partikeln führt jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen, von keiner Wirkung selbst bei hohen Gehalten für kubisch geformte, mit Silber angereicherte Keramikpartikel22 bis zu einer Zunahme bei niedrigen und einer Abnahme bei höheren Konzentrationen metallischer und keramischer NPs81,82,83. Die FS-Werte nahmen systematisch mit zunehmender Konzentration von QA-PEI-NP ab; jedoch wurden statistisch signifikante Reduzierungen von 15 % bzw. 22 % für 2 % bzw. 3 % verzeichnet. Für den höchsten Gehalt an QA-PEI-NP lagen die registrierten Werte unter dem von der Norm ISO 4049 für Restaurationen der Kauflächen empfohlenen Grenzwert von 80 MPa50. Beyth et al.39 berichteten, dass 1 % QA-PEI-NP bei einem Verbundwerkstoff auf Basis der Bis-GMA/TEGDMA-Matrix und 47 % verstärkender Füllstoffe zu einer Reduzierung des FS um etwa 40 % führte, jedoch keine signifikante Wirkung zeigt Einfluss auf das kommerzielle Material auf Basis der mit 60 % Füllstoffen verstärkten Bis-GMA/UDMA/TEGDMA-Matrix. Barszczewska-Rybarek et al.43 berichteten auch über eine signifikante Reduzierung der FS-Werte (bis zu 57 %) für Bis-GMA/TEGDMA-Harz nach Einführung von 0,5 % bis 2 % QA-PEI-NPs. Nach Betrachtung ihrer eigenen Ergebnisse und der Ergebnisse von Beyth et al.39 schlugen die Autoren vor, dass Matrizen, die UDMA aufgrund der Beteiligung an starken Wasserstoffbrückenbindungen enthalten, es ermöglichen könnten, Formulierungen zu erstellen, die nach Einführung neuer Partikel weniger empfindlich gegenüber Biegespannungen sind. Unsere Ergebnisse stützen dieses Konzept, da die Abnahme des FS bis zu 1,5 % der QA-PEI-NPs nicht signifikant war. Dies erklärt jedoch nicht die immer noch großen FS- und CS-Änderungen bei relativ geringen Konzentrationen von QA-PEI-NPs, da zahlreiche Arten von Partikeln mit antimikrobiellen Eigenschaften, die in ähnliche Matrizen eingebracht werden, bei solchen Gehalten die mechanischen Eigenschaften nicht verschlechtern. Stencel et al.22 zeigten eine Verringerung des FS nach der Compoundierung eines 16 % kubischen Keramikfüllstoffs, Tavassoli Hojati et al.83 führten bis zu 5 % ZnO-NPs in einen Verbundwerkstoff auf Bis-GMA/UDMA/TEGDMA-Basis ein Brandão et al.71 vermischten bis zu 10 % der ZnO-NPs zu einem Material auf Bis-GMA/TEGDMA-Basis, und beide registrierten keine signifikanten Veränderungen im FS. Die Verringerung der mechanischen Eigenschaften auf Makroebene nach der Verwendung von QA-PEI-NPs selbst in geringen Konzentrationen kann auf eine schwache Kompatibilität von QA-PEI-NPs mit der Harzphase hindeuten, die auf eine schlechte Benetzbarkeit der Partikel durch Matrixkomponenten und/oder eine schlechte Haftung zurückzuführen ist Phasen. Schwache Wechselwirkungen zwischen diesen Inhaltsstoffen können zur Bildung von Hohlräumen um die Partikel herum führen, bei denen es sich um strukturelle Defekte handelt. Sie können sich bei Belastung ausdehnen und als Spannungskonzentratoren wirken, was zu einer Abnahme von CS und FS führt. Dies zeigt, dass weitere Untersuchungen physikalische oder chemische Oberflächenmodifikationen von QA-PEI-NPs berücksichtigen sollten, um dieses Problem zu beseitigen84.

Die klinisch akzeptablen Werte des Biegemoduls können variieren, wobei ein relativ niedrigerer Modul für die Biegung mit den Zähnen bei zervikalen Hohlräumen oder ein höherer Wert für die Widerstandsfähigkeit gegen okklusale Kräfte bei posterioren Kompositen vorliegt85. Die E-Werte der untersuchten Verbundstoffe änderten sich durch die Zugabe von QA-PEI-NPs nicht wesentlich, was weiterhin mit den Provirus-Berichten übereinstimmt39,43 und als Vorteil angesehen werden kann, da es darauf hinweist, dass es keine signifikanten Änderungen in der Molekülstruktur gab B. eine Erhöhung der Schleifenzahl, die zu einer Verringerung der E-Werte ohne eine Verringerung des DC66 führen könnte.

Wassersorption und -löslichkeit sind weitere wichtige physikalisch-chemische Eigenschaften von Dentalkompositen, da sie einen potenziellen Einfluss auf die Biokompatibilität im Zusammenhang mit dem Auswaschen von Inhaltsstoffen haben und oft mit der Stabilität der Abmessungen oder mechanischen Eigenschaften aufgrund der Flüssigkeitsaufnahme verbunden sind86. Die registrierten WSO-Werte für alle Proben lagen unter 40 μg/mm3, die WSL-Werte für 2 Proben mit 3 % QA-PEI-NPs überstiegen jedoch 7,5 μg/mm3, sodass diese Materialien nicht den Anforderungen der ISO-Norm entsprachen50. Der Anstieg des WSO/WSL wurde für Materialien berichtet, die Nanopartikel69,87 enthalten, einschließlich QA-PEI-NPs43. Matrixeigenschaften wie eine Abnahme des DC werden oft im Zusammenhang mit dem Anstieg des WSO/WSL88,89 erwähnt, in dieser Studie wurden jedoch keine Unterschiede im DC beobachtet, was auf eine andere Ursache der Veränderungen schließen lässt. Ein erhöhter WSO und WSL kann ein weiterer Faktor sein, der auf eine geringe Kompatibilität zwischen Füllstoffpartikeln und der Matrix hinweist, da Wasser wandern und sich an den Matrix-Füllstoffpartikeln und/oder ihrer Aggregationsgrenzfläche ansammeln kann, was insbesondere größere Änderungen bei höheren Füllstoffkonzentrationen erklären kann7,22. Die für NPs typische große Oberfläche kann auch Abbauprozesse wie die Hydrolyse von Füllstoffen begünstigen und zu Partikelverlusten führen69, die durch den erhöhten Kontakt von Wasser mit Partikeln an der Matrix-Füllstoff-Grenzfläche bei geringer Kompatibilität zusätzlich beschleunigt werden können . Wenn Partikel verloren gehen, kann Wasser in die Grenzfläche zwischen Füllstoff und Matrix und in freie Räume wandern und so den WSO erhöhen. Ein Anstieg der WSL-Werte kann auch mit den QA-PEI-NPs zusammenhängen, da die Wechselwirkungen zwischen Füllstoffpartikeln und Wassermolekülen im Vergleich zu denen zwischen QA-PEI-NPs und der Matrix möglicherweise schwächer sind. Das Auslaugen von Partikeln kann auch die Kontaktfläche der Matrix mit dem Wasser vergrößern, was den Auslaugungsprozess verschiedener Komponenten intensiviert.

Der Wasserkontaktwinkel wird aufgrund seines Einflusses auf die Plaquebildung diskutiert, da Materialien mit hohem CA eine geringere Bakterienanhaftung aufweisen90. Die Ergebnisse zeigten, dass der CA der getesteten Oberflächen bei der höchsten Konzentration an QA-PEI-NPs auf 6 % anstieg (andere Änderungen waren unbedeutend), jedoch lagen alle erhaltenen Werte unter 90°, sodass der Charakter der Oberflächen unverändert blieb hydrophil91. Der registrierte Anstieg der CA kann durch das Vorhandensein hydrophober N-Octyl-Substituenten in QA-PEI-NPs43 verursacht werden.

Der Artikel lieferte neue Informationen zu den Eigenschaften von Modellkompositen auf Basis der mit Glasfüllstoffen verstärkten und mit QA-PEI-NPs angereicherten Bis-GMA/UDMA/TEGDMA-Matrix. Die Ergebnisse zeigten, dass die Beimischung von 0,5 bis 3 % QA-PEI-NPs eine hohe antimikrobielle Wirksamkeit und eine zufriedenstellende Biokompatibilität ermöglicht. Die Einführung von QA-PEI-NPs hat keinen Einfluss auf den Umwandlungsgrad DC, die Vickers-Mikrohärte und die Werte des Biegemoduls und verursachte einen günstigen Anstieg des Kontaktwinkels. Andererseits erhöhten QA-PEI-NPs die Wasseraufnahme und -löslichkeit, verringerten die Biegefestigkeit und die Druckfestigkeit. Die genannten Änderungen waren für die meisten experimentellen Verbundwerkstoffe unbedeutend und akzeptabel, mit Ausnahme des höchsten antibakteriellen Füllstoffgehalts. Der Grund für die Verschlechterung einiger Eigenschaften war wahrscheinlich die geringe Kompatibilität zwischen Füllstoffpartikeln und der Matrix; Daher lohnt es sich, die Forschung durch Oberflächenmodifikation von QA-PEI-NPs zu erweitern, um optimale Leistungseigenschaften zu erreichen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten Datensätze und/oder Analysen sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Wir möchten dem ARKONA Laboratory of Dental Pharmacology, Polen, für die technische Unterstützung während der Forschung danken.

Veröffentlichung gefördert im Rahmen der Exzellenzinitiative – Programm der Forschungsuniversität, durchgeführt an der Schlesischen Technischen Universität, Jahr 2021/2023 (Fördernummer: 10/010/SDU/10-21-03) und durch das Qualitätsstipendium des Rektors (Schlesien). Technische Universität, Fördernummer: 10/010/RGJ23/1140).

Fakultät für Maschinenbau, Labor für Materialforschung, Schlesische Technische Universität, Konarskiego Str. 18a, 41-100, Gliwice, Polen

Grzegorz Chladek

Abteilung für physikalische Chemie und Polymertechnologie, Schlesische Technische Universität, 9 M. Strzody Str., 44-100, Gliwice, Polen

Izabela Barszczewska-Rybarek & Marta Chrószcz-Porębska

Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie, Fakultät für Medizinische Wissenschaften in Zabrze, Medizinische Universität Schlesien in Katowice, 19 Jordana Str., 41-808, Zabrze, Polen

Anna Mertas

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Konzeptualisierung, GC und IB-R.; Methodik, alle Autoren; Untersuchung, GC, MC-P. und AM; Ressourcen, alle Autoren; Datenkuration, GC, MC-P. und AM; Schreiben – Originalentwurf GC, MC-P. und AM; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, GC und IB-R.; Aufsicht, GC und IB-R.; Projektverwaltung und Fördermittelakquise, GC und IB-R.

Korrespondenz mit Grzegorz Chladek.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Chladek, G., Barszczewska-Rybarek, I., Chrószcz-Porębska, M. et al. Die Wirkung von quartären Ammonium-Polyethylenimin-Nanopartikeln auf die Bakterienanhaftung, Zytotoxizität sowie die physikalischen und mechanischen Eigenschaften experimenteller Dentalkomposite. Sci Rep 13, 17497 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43851-y

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Eingegangen: 21. November 2022

Angenommen: 29. September 2023

Veröffentlicht: 15. Oktober 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-43851-y

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