Biocompatibiliteit van gegardeerde nano-glas/zirkonia tandmaterialen na veroudering

Samenvatting

Een gegardeerd nano-glas/zirkonia (G/Z) systeem werd gecreëerd door nano-glas te infiltreren in een nano-zirkonia oppervlak, wat de kern-verneer bindingssterkte verbetert. Veroudering is een kritiek punt voor yttrium-gestabiliseerde tetragonale zirkonia polykristallen (Y-TZP), dus is het essentieel om te beoordelen hoe veroudering de biocompatibiliteit van G/Z systemen beïnvloedt voor klinisch gebruik. Humane gingivale fibroblasten (HGFs) werden gezaaid op ongeouderde en gegardeerde G/Z en Y-TZP monsters voor 2-72 uur. Testen omvatten orale slijmvlies irritatie, celviabiliteit, adhesie, en oxidatieve stress. Metabolische activiteit daalde significant in gegardeerde G/Z en Y-TZP na 72 uur (P < 0.00001). Geen significant verschil in viabiliteit werd waargenomen tussen G/Z en Y-TZP over alle tijdspunten, voor of na veroudering. ROS productie steeg na 72 uur voor gegardeerde G/Z en Y-TZP, maar verschillen waren niet significant (P > 0.05). Adhesiesnelheden stegen na veroudering voor beide materialen, maar G/Z en Y-TZP toonden vergelijkbare adhesie (P > 0.05). Macroscopische en microscopische irritatiescores voor zowel gegardeerde als ongeouderde G/Z waren 0, wat geen irritatie aangeeft.

Conclusies

Het G/Z systeem demonstreert uitstekende biocompatibiliteit en belooft goed voor toekomstige klinische toepassingen.

Achtergrond

Tandzirkonia keramieken, met name 3 mol% yttrium-gestabiliseerde tetragonale zirkonia polykristallen (3Y-TZP), worden gewaardeerd voor hun hoge sterkte en breukweerstand door transformatie-verstijving mechanismen, wat ze gemeenschappelijk maakt in prothetische apparaten [1]. Echter, verneerporselein aangebracht op zirkonia kernen faalt vaak door afscheuring of delaminatie, primair door mismatched thermische uitdijingscoëfficiënten en elastische moduli tussen kern en verneer [2, 3, 4]. Om dit aan te pakken, introduceerden we eerder een gegardeerd nano-glas/zirkonia (G/Z) systeem dat laag-modulus nano-glas infiltreert in een gesinterd nano-zirkonia oppervlak, wat bindingssterktes drie keer groter bereikt dan conventionele systemen [4].

Veroudering van Y-TZP - getriggerd door vocht, mechanische belasting, en lage temperatuur - induceert oppervlakteverruwing, microkraken, en een tetragonaal-naar-monocliene (t-m) fase transformatie, wat mechanische eigenschappen kan compromitteren [5-9]. Aangezien oppervlaktechemie en ruwheid biocompatibiliteit beïnvloeden, is het cruciaal om te evalueren hoe veroudering de interactie van het G/Z systeem met biologische weefsels beïnvloedt.

Eerder werk van Zhang et al. demonstreerde de mechanische voordelen van een glas-geïfiltreerd zirkonia composiet [10, 11], maar de biocompatibiliteit van dit gegardeerde composiet, vooral na veroudering, blijft onbekend. Deze studie vult die kloof door G/Z te vergelijken met de klinisch geaccepteerde Y-TZP, evaluerend celviabiliteit, morfologie, adhesie, oxidatieve stress, en slijmvliesirritatie zowel voor als na veroudering.

Methoden

Bereiding van Monsters

Y-TZP monsters, goedgekeurd voor klinisch gebruik, dienden als controle. Alle monsters waren uniforme platen (1.5 × 1.5 × 0.2 cm) volgens ISO 13356 standaarden voor buigstaven met gepolijste oppervlakken.

Bereiding van G/Z Monsters

Glaskorrels werden gemalen tot nanometersize met een Emax slijper. De infiltrerende glassen samenstelling is gedetailleerd in Tabel 1 [4]. Y-zirkonia poeders (5.18 wt% Y₂O₃, TZ-3Y-E graad, Tosoh) werden uniaxiaal geperst op 150 MPa voor 2 min, deels gesinterd op 1350 °C voor 2 uur, en balgemalen tot 200-mesh. Substraat monsters werden voorgesinterd op 1200 °C voor 2 uur om een porieus netwerk te vormen. Gesmolten glazuurslurries werden aangebracht op het bovenste oppervlak en geïntreed op 1350 °C voor 2 uur, simultaneous bereikend infiltratie en verdichting.

Bereiding van Y-TZP Monsters

Y-TZP blanks werden gefreesd en gesinterd tot volle dichtheid met een CAD/CAM systeem (Zenostar, Weiland Dental).

Celkweek

HGFs werden gekweekt in DMEM/F-12 aangevuld met 10% foetaal kalfserum, 1% penicilline/streptomycine, 1% L-glutamine, en 1% niet-essentiële aminozuren bij 37 °C, 5% CO₂. Media werden elke 3 dagen verversd. Cellen werden losgemaakt met PBS en trypsine-EDTA, dan gezaaid op elk substraat op 1 × 10⁵ cellen/mL voor alle assays.

Veroudering

Mechanische veroudering simuleerde kauwcondities: monsters werden geplaatst in kunstmatige speeksel bij 37 °C, onderworpen aan een drie-punt buigbelasting van 80 N bij 2 Hz voor 10⁵ cycli, volgend protocollen [12, 13].

Celviabiliteit

Viabiliteit werd beoordeeld op 2, 24, 48, en 72 uur met de alamarBlue® assay (10% in DMEM). Na incubatie, werd 500 µL kleurstof toegevoegd, geïncubeerd voor 4 uur, en fluorescentie gemeten (excitatie 530 nm, emissie 580 nm) op een Synergy™ H4 Microplate Spectrofotometer (BioTek). Experimenten werden in triplicate uitgevoerd over drie runs. Viabiliteit (%) = (absorptie van behandelde putjes) / (absorptie van controle putjes).

Oxidatieve Stress

Reactieve zuurstofvormen (ROS) niveaus werden gekwantificeerd via chemiluminescentie met de Reactive Oxygen Species Assay Kit (Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute).

Celadhesie

HGFs werden 2 uur gekweekt op monsteroppervlakken voor en na veroudering. Na fixatie, werden kernen gekleurd met DAPI (Yeasen), en beelden vastgelegd met een Carl Zeiss LSM 510 geïnverteerde fluorescentiemicroscoop. Adhesiesnelheden werden berekend als gehechte cellen / totaal gezaaide cellen over vijf willekeurige 450 µm × 450 µm velden bij ×200 vergroting.

Celmorfologie

Na 2 uur incubatie, werden cellen op G/Z oppervlakken gefixeerd en gekleurd voor F-actine met rhodamine phalloidine (1:100 in 3% BSA). Beelden werden genomen met een Zeiss LSM 510. Morfologie werd ook onderzocht met SEM (Philips XL-30 ESEM). Monsters werden gemonteerd op glazen dekkers en tegengekleurd met DAPI.

Orale Slijmvlies Irritatie Test

Tien Wistar mannetjes muizen kregen gegardeerde G/Z in de ene wangzak en ongeouderde G/Z in de controlaterale zijde, volgens YY/T 0127.13-2009 standaarden. Na 2 weken werden zakken macroscopisch geïnspecteerd, en wang slijmvlies histologisch onderzocht via H&E kleuring. Irritatie-indices werden berekend door controle scores af te trekken van test scores.

Statistische Analyses

Eénrichtings ANOVA (SPSS 22.0) evalueerde gepoolde data voor viabiliteit, oxidatieve stress, en adhesie. Significantie was ingesteld op P < 0.05.

Resultaten

Gegardeerde Laag Structuur

De gegardeerde laag dikte gemiddeld 0.9-1.0 mm. SEM beelden (Fig. 1a, b) onthullen een oppervlak samengesteld uit residueel glas, glas-gecoate zirkonia korrels, en intergranulaire gaten - kenmerken die sterke kern-verneer adhesie faciliteren. EDS mapping (Fig. 1c) toont een gradient: Zr concentratie neemt dieper in het materiaal toe, terwijl Si, Al, en La afnemen, wat de beoogde compositionele gradient bevestigt [4].

Celviabiliteit

Metabolische activiteit daalde significant in gegardeerde G/Z en Y-TZP na 72 uur (P < 0.00001) (Fig. 2a). Geen significante daling werd waargenomen op 2, 24, of 48 uur voor beide materialen. Viabiliteit van G/Z en Y-TZP verschilden niet op elk tijdstip, pre- of post-veroudering (P > 0.05). De data zijn samengevat in Figuur 2a.

Oxidatieve Stress

Gegardeerde G/Z en Y-TZP toonden een significante stijging in ROS na 72 uur (P < 0.00001). Geen significante verschillen werden genoteerd op eerdere tijdstippen (P > 0.05). G/Z en Y-TZP produceerden vergelijkbare ROS niveaus door de hele studie, zowel voor als na veroudering (P > 0.05).

Celadhesie

Adhesiesnelheden stegen voor zowel G/Z als Y-TZP na veroudering (Fig. 2c). Geen significant verschil bestond tussen de twee materialen pre- of post-veroudering (P > 0.05). Representatieve beelden van celadhesie op Y-TZP en G/Z voor en na veroudering worden getoond in Figuur 3.

Celmorfologie

Fluorescentie-imaging onthulde dat cellen gehecht raken aan zowel gegardeerde als ongeouderde G/Z, met verbeterde spreiding en vervlakking op gegardeerde oppervlakken (Fig. 4a-c). SEM bevestigde goed-gespreide, polygonale cellen met uitgebreide microvilli op beide oppervlakken (Fig. 5a, b).

Orale Slijmvlies Irritatie Test

Zowel macroscopische als microscopische irritatiescores waren 0 voor gegardeerde en ongeouderde G/Z, wat geen irritatie aangeeft. Histopathologie bevestigde het ontbreken van slijmvliesveranderingen (Fig. 6a, b).

Discussie

Metaal-keramiek legeringen hebben steeds meer plaatsgemaakt aan metaalvrije alternatieven door zorgen over metaalion vrijgave [14-18]. Hoewel veel onderzoek zich richt op keramische verbeteringen, biedt het G/Z systeem een veelbelovende route om zirkonia's prestaties te verbeteren zonder metaalcomponenten toe te voegen. Deze studie demonstreert dat G/Z biocompatibiliteit behoudt vergelijkbaar met Y-TZP, zelfs na veroudering, wat realistische orale condities simuleert.

Veroudering verminderde celproliferatie na 72 uur voor beide materialen, wat overeenkomt met sommige literatuur die gerapporteerde verminderde biocompatibiliteit post-veroudering [20] en contrasteert met andere die verbetering noteren [21]. Variaties stammen waarschijnlijk uit verschillende verouderingsprotocollen. Ons protocol - 80 N belasting, 2 Hz, 10⁵ cycli in kunstmatige speeksel bij 37 °C - spiegelt klinische bijtkrachten en temperatuur weer, biedend een realistische beoordeling van verouderingseffecten [22].

De waargenomen daling in viabiliteit en stijging in ROS kunnen ionendiffusie en lokale stress van de t-m transformatie weerspiegelen, wat celintegriteit kan compromitteren [6, 23].

Interessant genoeg verhoogde veroudering adhesie voor zowel G/Z als Y-TZP zonder relatieve adhesiesnelheden te veranderen. De verruwde, hydrofiele oppervlakken post-veroudering verbeteren waarschijnlijk proteïneadsorptie, bevorderend betere celhechting [27-29]. De vergelijkbare adhesie suggereert dat G/Z's oppervlakte-eigenschappen gunstig blijven na veroudering.

In vivo irritatietesten onthulden geen histopathologische veranderingen, wat de veiligheid van G/Z voor slijmvliescontact ondersteunt. De bescheiden hoeveelheid monocliene fase geïntroduceerd tijdens infiltratie waarschijnlijk behoudt mechanische integriteit terwijl het materiaal biocompatibel blijft, zoals getoond in eerdere werk op Al₂O₃-geïfiltreerde Y-TZP [30].

Andere glas-zirkonia composieten hebben goede biocompatibiliteit en bioactiviteit in vitro en in vivo getoond [31-33]. Onze bevindingen breiden dit bewijs uit naar het gegardeerde nano-glas/zirkonia systeem, biedend een materiaal dat mechanische sterkte, esthetiek, en biologische veiligheid in balans brengt.

Conclusies

Biocompatibiliteitsbeoordelingen - inclusief celviabiliteit, adhesie, morfologie, oxidatieve stress, en slijmvliesirritatie - demonstreren dat G/Z op een par presteert met Y-TZP voor en na veroudering. Deze resultaten positioneren G/Z als een veelbelovende kandidaat voor tandprothesen. Verdere uitgebreide in vitro en in vivo studies zijn gewenst om deze voorlopige bevindingen te bevestigen.

Afkortingen

DAPI:

4′,6-Diamidino-2-fenylindole dihydrochloride

F-actine:

Filamenteuze actine

FGM:

HAp-Al₂O₃-ZrO₂

G/Z:

Gegardeerd nano-glas/zirkonia

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

t-m:

Tetragonaal naar monoclien

Y-TZP:

Yttrium-gestabiliseerde tetragonale zirkonia polykristal