Propiedades físico-mecánicas y antibacterianas de los adhesivos de ortodoncia que contienen Sr - Grupo Co., Ltd de los laboratorios de minería de Foshan

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 6635 (2022) Citar este artículo

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Las lesiones de manchas blancas alrededor de los brackets de ortodoncia son la principal complicación durante el tratamiento de ortodoncia fija. Este estudio preparó adhesivos de ortodoncia para promover la precipitación mineral y reducir el crecimiento bacteriano. Se prepararon adhesivos con monohidrato de fosfato cálcico/nanopartículas de vidrio bioactivas de Sr (Sr/CaP) y andrografólido. Se probaron las propiedades físico-mecánicas y antibacterianas de los adhesivos. Los aditivos redujeron la conversión de monómero de los materiales (62 a 47%). La adición de Sr/CaP y andrographolide aumentó la sorción de agua (de 23 a 46 μg/mm3) y la solubilidad en agua (de 0,2 a 5,9 μg/mm3), pero redujo la resistencia a la flexión biaxial (de 193 a 119 MPa) de los adhesivos. Las fuerzas de unión al esmalte de los adhesivos experimentales (19–34 MPa) fueron comparables a las del material comercial (p > 0,05). Los rellenos Sr/CaP promovieron la liberación de iones Ca, Sr y P y la precipitación de fosfato de calcio en la interfase desligada. Un aumento en la concentración de Sr/CaP potenció la inhibición de S. mutans en un 18%, mientras que el efecto de andrographolide no fue detectado. Se esperaba que las capacidades de los adhesivos para promover la liberación de iones, la precipitación de fosfato de calcio y la inhibición del crecimiento de bacterias cariogénicas redujeran la aparición de lesiones de manchas blancas. Los aditivos redujeron las propiedades físico-mecánicas de los materiales, pero los valores correspondientes estuvieron dentro del rango aceptable.

La complicación común durante los tratamientos de ortodoncia fija es la caries inicial del esmalte o lesiones de manchas blancas alrededor de los brackets1. Estas lesiones ocurren debido a la continuación de la desmineralización dental y al biofilm dental disbiótico2 causado por una higiene oral subóptima durante el tratamiento. Si las lesiones cariosas no se tratan, las lesiones pueden progresar y convertirse en cavidades profundas e imposibles de limpiar. Posteriormente, esto puede conducir a una infección/dolor dental grave, lo que complica el tratamiento de ortodoncia. Se informó que las superficies irregulares de exceso de adhesivos de ortodoncia promovieron la acumulación de biopelículas dentales3. Por lo tanto, pueden ser necesarios adhesivos que ofrezcan acciones de remineralización y antibacterianas para reducir el riesgo de caries dental. Sin embargo, los adhesivos de ortodoncia de resina compuesta actualmente disponibles y comúnmente utilizados no mostraron acciones anticaries. Además, una técnica de fotopolimerización subóptima puede aumentar el riesgo de liberar monómeros sin reaccionar4, lo que puede promover la cariogenicidad y la disbiosis microbiana de las biopelículas dentales5.

Se han empleado varios métodos para mejorar la remineralización y las acciones antibacterianas de los adhesivos de ortodoncia. Por ejemplo, se emplearon cementos de ionómero de vidrio para facilitar la liberación de fluoruro, mejorando la resistencia a la caries a través de la fluoración de la superficie del diente6. Sin embargo, un estudio clínico informó que no se detectó una reducción significativa en la desmineralización de los dientes cuando se usó adhesivo de ortodoncia de cemento de ionómero de vidrio7. Los fosfatos de calcio se pueden usar como rellenos reactivos para estimular la liberación de iones de calcio y fosfato de los adhesivos de ortodoncia. Estos iones son esenciales para promover las condiciones adecuadas para la precipitación de los minerales dentales, como la hidroxiapatita8,9. El monohidrato de fosfato monocálcico disponible comercialmente (MCPM) se incorporó a materiales a base de resina en estudios previos10,11. El uso de MCPM en altas concentraciones (10–20% en peso) mejoró sustancialmente la precipitación de hidroxiapatita10,11,12, que se esperaba que promoviera los efectos remineralizantes en la interfaz entre el diente y el composite. Sin embargo, la alta solubilidad de MCPM (proporción Ca/P = 0,5) podría conducir a una absorción excesiva de agua, plastificación de polímeros y reducciones significativas en las resistencias mecánicas de los adhesivos de ortodoncia12.

Un agente remineralizante alternativo a los compuestos de fosfato de calcio podrían ser los vidrios bioactivos sol-gel13. Se demostró que la incorporación de nanopartículas de vidrio bioactivas en el adhesivo de ortodoncia resultó en acciones remineralizantes efectivas14. Además, el uso de partículas esféricas de vidrio bioactivo exhibió mayores efectos mineralizantes en comparación con el uso de partículas de forma irregular/granular15. Se propuso que Sr2+ podría mejorar potencialmente la precipitación de apatita al aumentar el número de grupos de nucleación16,17. Además, se demostró que el vidrio bioactivo dopado con Sr exhibió acciones antibacterianas superiores en comparación con el vidrio bioactivo no dopado con Sr18. Las acciones antibacterianas de Sr2+ pueden implicar la inhibición del crecimiento, la síntesis de la pared celular, el metabolismo y la replicación del ADN de las bacterias18.

Se esperaba que la adición de agentes antibacterianos redujera la colonización de biopelículas alrededor de los brackets de ortodoncia. Los estudios han demostrado que la adición de clorhexidina a los cementos de ortodoncia mejora las acciones antibacterianas sin afectar el desempeño de la unión19,20. Sin embargo, las reacciones alérgicas graves a la clorhexidina siguen siendo una preocupación importante21. Andrographolide (Andro) es un extracto medicinal de Andrographis paniculata (Acanthaceae) que se usa tradicionalmente en la medicina herbal. Andro es un diterpenoide bicíclico que contiene ɣ-lactona en ambos extremos de la molécula. Exhibe diversas actividades biológicas beneficiosas, como propiedades antiinflamatorias, antivirales, antitumorales, antioxidantes y antibacterianas22. Se informó que Andro redujo la colonización de biopelículas al interferir con el sistema de detección de quórum, inhibiendo así la formación de biopelículas bacterianas, la producción de factores de virulencia y la coagregación bacteriana23. Además, un estudio demostró que Andro previene la adherencia de las bacterias cariogénicas (S. mutans) a las perlas de hidroxiapatita al disminuir la actividad de la glucosiltransferasa y eliminar la actividad de la lectina de unión a glucano de las cepas24.

Actualmente, los estudios que investigan el uso potencial de extractos herbales antibacterianos y de baja toxicidad como Andro para permitir acciones antibacterianas para los adhesivos de ortodoncia son limitados. El objetivo del presente estudio fue preparar adhesivos de ortodoncia experimentales que contienen Sr-BGNPs/MCPM y Andro. Se evaluaron las propiedades físicas/mecánicas de los materiales y la inhibición de S. mutans por parte de los materiales. Además, se analizaron los efectos de aumentar las concentraciones de Sr-BGNPs/MCPM y Andro sobre las propiedades probadas de los materiales. La hipótesis fue que el aumento de aditivos no debería afectar significativamente las propiedades probadas de los materiales. Todos los métodos se llevaron a cabo de acuerdo con las directrices, protocolos y reglamentos pertinentes.

Se sintetizaron nanopartículas esféricas de vidrio bioactivo de Sr (Sr-BGNP) con un diámetro de 200 nm a través de un proceso sol-gel de acuerdo con un método utilizado en estudios previos25,26,27. Las nanopartículas de sílice (SiO2-NP) se sintetizaron antes de la incorporación catiónica. Brevemente, se mezclaron hidróxido de amonio 0,32 M, agua Milli-Q 6 M y etanol 14 M (99,5 %) en un matraz Erlenmeyer de 500 ml y se agitaron a 500 rpm durante 10 min. Luego, se añadió gradualmente ortosilicato de tetraetilo (TEOS) 0,28 M a la solución preparada. La solución mixta se agitó durante 10 h para completar las reacciones de hidrólisis y policondensación. Las SiO2-NP se recogieron y se incorporaron con nitrato de calcio tetrahidratado 0,09 M (99 %) y nitrato de estroncio 0,27 M (99 %). Luego, las partículas preparadas se calcinaron a 680 °C durante 3 h a una velocidad de calentamiento de 3 °C/min. A continuación, las partículas se limpiaron dos veces con etanol. La morfología y el tamaño de las partículas se caracterizaron utilizando un microscopio electrónico de barrido. La composición de las partículas se midió utilizando fluorescencia de rayos X (XRF, XUV773, Fischer Instrumentation, Worchestershire, Reino Unido) con generadores de rayos X en el rango de 8 a 20 kV operados en vacío. Se usó un difractómetro para identificar el patrón de difracción de cristal de las partículas. El patrón de difracción de rayos X (XRD, Bruker, Massachusetts, EE. UU.) se recolectó con un difractómetro de polvo automatizado Bruker AXS utilizando radiación Cu Kα (1.540600 Å) a 40 kV y 40 mA. Los datos se recopilaron en el rango de 2θ de 5 a 70° con una velocidad de exploración de 3°/min.

Los adhesivos de ortodoncia experimentales se prepararon siguiendo el protocolo de un estudio previo12. Brevemente, la fase líquida de los adhesivos contenía 70 % en peso de dimetacrilato de uretano (Sigma–Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.), 26 % en peso de dimetacrilato de trietilenglicol (Sigma–Aldrich), 3 % en peso de metacrilato de 2-hidroxietilo (Sigma–Aldrich ), y 1% en peso de canforquinona (Sigma-Aldrich). La fase de polvo contenía vidrio de boroaluminosilicato tratado con silano (Esstech, Inc. Essington, PA, EE. UU.), nanopartículas de vidrio bioactivas de Sr (Sr-BGNP), monohidrato de fosfato monocálcico (MCPM, Himed, Old Bethpage, NY, EE. UU.) y andrografólido. (Nanjing NutriHerb BioTech, Jiangsu, China). Se prepararon cinco formulaciones experimentales con concentraciones variables de Sr-BGNPs/MCPM (Sr/Ca) y Andro (Tabla 1). Las fases de polvo y líquido se mezclaron usando una relación de polvo a líquido de 4:1 (relación de masa). A continuación, los adhesivos mixtos se cargaron en una jeringa compuesta (jeringa MIXPAC de 1 ml, medmix Switzerland AG, Haag, Suiza). Como control se utilizó adhesivo de ortodoncia compuesto de resina comercial (Trans, Transbond XT, 3M-ESPE, Seefeld, Alemania).

Los adhesivos sin curar (n = 5) se colocaron en un circlip metálico (1 mm de espesor y 10 mm de diámetro) sobre el diamante de reflexión total atenuada (ATR, iD7 ATR, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU.) de un Espectroscopio infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR, Nicolet iS5, Thermo Fisher Scientific). A continuación, los materiales se cubrieron con una lámina de acetato y se activaron con luz durante 20 s utilizando una unidad de polimerización por luz LED (irradiación de 1200 mW/cm2, SmartLite Focus Pen Style, DENTSPLY Sirona, York, PA, EE. UU.) a una distancia de 1 –2 mm desde la parte superior de la superficie de cada material. Los espectros FTIR en la región de 700–4000 cm−1 se registraron desde el fondo de cada material. Luego se calculó el grado de conversión de monómero (DC) utilizando la siguiente ecuación12.

donde \(\Delta {\text{A}}_{0}\) y \(\Delta {\text{A}}_{{\text{t}}}\) son la absorbancia del C–O pico (1320 cm−1)28 por encima de la línea de base a 1335 cm−1 antes y después del curado en el tiempo t, respectivamente.

Se prepararon muestras de disco (n = 8). Los composites se colocaron en un anillo de metal (10 mm de diámetro y 1 mm de espesor). Los materiales se cubrieron con una lámina de acetato y portaobjetos de vidrio en la parte superior e inferior. Los especímenes fueron curados por una unidad de curado con luz LED durante 20 s en ambos lados. Se dejaron 24 h a 25 ± 1 °C. Luego, los especímenes se colocaron en 10 mL de agua desionizada a 37 °C. La prueba de resistencia a la flexión biaxial (BFS) se realizó utilizando una plantilla de prueba de bola sobre anillo con una máquina de prueba universal (AGSX, Shimadzu, Kyoto, Japón). La muestra se cargó con una celda de carga de 500 N con una velocidad de cruceta de 1 mm/min hasta que la muestra falló. El BFS (Pa) se calculó utilizando la siguiente ecuación29.

donde F es la carga de falla (N), d es el espesor de la muestra (m), r es el radio del soporte circular (mm) y a es la relación de Poisson (0.3). Además, el módulo de flexión biaxial (BFM, Pa) se calculó utilizando la siguiente ecuación.

donde \(\frac{{{\Delta H}}}{{{\Delta W}_{{\text{c}}} }}\) es la tasa de cambio de la carga con respecto a la deflexión central o gradiente de fuerza versus la curva de desplazamiento (N/m), \({\upbeta }_{{\text{c}}}\) es la unión de deflexión central (0.5024), y q es la relación entre el radio del soporte y el radio del disco.

Se prepararon muestras de disco (n = 6) y se pesaron con una balanza de cuatro cifras. La prueba se realizó de acuerdo con BS EN ISO 404930. Las muestras de disco se colocaron en un desecador y se mantuvieron en una incubadora a temperatura controlada de 37 ± 1 °C durante 22 h. Luego, el desecador se mantuvo a temperatura ambiente (25 ± 1 °C) durante ~ 2 h. Se midió el peso de cada espécimen hasta obtener una masa constante (m1). A continuación, las muestras se colocaron en 10 ml de agua desionizada a 37 ± 1 °C durante un máximo de 4 semanas. Luego se registró la masa de cada espécimen (m2). A continuación, las muestras se reacondicionaron siguiendo los pasos descritos anteriormente para m1 hasta obtener una masa constante (m3). La sorción de agua (WSP, g/m3) y la solubilidad en agua (WSL, g/m3) se calcularon usando las siguientes ecuaciones.

donde m1 es la masa acondicionada del espécimen (g), m2 es la masa del espécimen después de la inmersión en agua durante 4 semanas (g), m3 es la masa reacondicionada del espécimen después de la inmersión en agua (g) y v es el volumen de la muestra (m3).

El uso de dientes extraídos fue aprobado por la Junta del Subcomité de Revisión de Ética para la Investigación Humana en Ciencias, Universidad de Thammasat (No. 3, Facultad de Ciencias de la Salud y Ciencia y Tecnología, Proyecto No. 151/2563, fecha de aprobación 11 de noviembre de 2020). Los treinta premolares extraídos se recolectaron en el Hospital Universitario Thammasat, Pathum Thani, Tailandia. La Junta del Subcomité de Revisión de Ética para la Investigación en Ciencias Humanas que Involucra a las Ciencias, Universidad de Thammasat (No. 3, Facultad de Ciencias de la Salud y Ciencia y Tecnología) renunció al consentimiento de los pacientes porque no era necesaria la identificación del paciente de los dientes extraídos.

Los dientes extraídos se mantuvieron en una solución de timol al 0,1 % a temperatura ambiente durante menos de 30 días antes de la prueba (n = 5). La raíz se cortó a 2 mm por debajo de la línea cervical. La superficie bucal se acondicionó con ácido fosfórico al 37 % (gel de grabado Transbond™ XT; 3 M-ESPE) y se enjuagó durante 15 s, seguido de un suave secado al aire. La superficie grabada recibió una aplicación de imprimación (Transbond™ XT Light Cure Orthodontic Primer, 3 M-ESPE) durante 10 sy luego se secó al aire. Luego se aplicaron los adhesivos experimentales sobre la superficie imprimada, seguido de la colocación de los brackets de los premolares (GEMINI MBT 0.022 Twin, 3 M-ESPE). Se eliminó el exceso de adhesivo. Luego, la muestra se fotopolimerizó con una unidad de fotopolimerización LED durante 10 s en los lados mesial y distal.

Las muestras se incluyeron en una resina acrílica autopolimerizable en un tubo de cloruro de polivinilo (PVC) y se sumergieron en saliva artificial31 durante 24 h. Luego, los especímenes fueron sometidos a termociclado (5 y 55 °C) con un tiempo de inmersión y tiempo de permanencia de 30 s y 10 s para 500 ciclos de acuerdo con PD ISO/TS 11405:2015 32. Luego, los especímenes fueron colocados en un Plantilla de ensayo de resistencia al corte bajo un marco de ensayo mecánico. Se aplicó un cincel de filo de cuchillo en la interfaz entre el diente y el soporte. Las muestras se cargaron con una celda de carga de 500 N a una velocidad de cruceta de 1 mm/min. Se registró la carga máxima (F, Newton) antes del descementado del bracket. A continuación, se calculó la resistencia de la unión al cizallamiento de los materiales al esmalte (SBS, Pa) utilizando la siguiente ecuación12.

donde A es el área de la interfaz de unión (m2). Se determinó un índice de remanente de adhesivo observando el adhesivo residual en los brackets bajo un microscopio estereoscópico (aumento de 10x). El índice ARI se clasificó en cuatro categorías de la siguiente manera33,34.

Puntuación 0: no quedó adhesivo sobre el esmalte.

Puntuación 1: menos del 50 % del adhesivo permaneció en la superficie del esmalte.

Puntuación 2: más del 50% del adhesivo permaneció en la superficie del esmalte.

Puntuación 3: todo el adhesivo permaneció en la superficie del esmalte.

La prueba se realizó de acuerdo con el protocolo utilizado en el estudio anterior12. La muestra (n = 1) se preparó de acuerdo con la prueba SBS. Los especímenes se colocaron en 10 mL de saliva artificial a 37 °C durante 24 h. Luego, los brackets fueron descementados del diente. Luego, la superficie del soporte desprendido se recubrió con Au usando una máquina de recubrimiento por pulverización catódica con una corriente de 23 mA durante 45 s. La precipitación de cristales de fosfato de calcio en la superficie se evaluó con un microscopio electrónico de barrido (SEM, JSM, 7800F, JEOL Ltd., Tokio, Japón). Luego, la composición elemental de la precipitación se analizó utilizando un análisis de rayos X de dispersión de energía (EDX, detector X-sight 6650, Oxford Instruments, Abingdon, Reino Unido) con un voltaje de haz establecido en 10 kV.

Se prepararon muestras de disco (n = 3) y se colocaron en 10 ml de agua desionizada. Los tubos se incubaron a 37 °C durante 4 semanas. Luego se recogió la solución de almacenamiento para analizar las concentraciones de iones Ca, P y Sr. El extracto se mezcló con ácido nítrico al 3% en volumen. Las concentraciones de iones se evaluaron mediante espectroscopía de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES, Optima 8300, PerkinElmer, Waltham, MA, EE. UU.).

Se inoculó Streptococcus mutans (ATCC 25175) en caldo Mueller Hinton (MH) (BD Difco™ Mueller Hinton Broth, Thermo Fisher Scientific Inc., Göteborg, Suecia) utilizando una proporción de volumen de inóculo a caldo de 1:212. Se incubaron durante 24 h a temperatura controlada de 37 °C y enriquecidas con 5% de CO2. A continuación, se ajustó la suspensión de S. mutans hasta obtener una concentración bacteriana de 2,5 × 105 células/mL utilizando un espectrofotómetro a una densidad óptica (DO) de 600 nm.

Se prepararon muestras de disco (1 mm de espesor y 10 mm de diámetro) y se esterilizaron mediante radiación UV durante 30 min en cada superficie (n = 3)35. Luego, los discos se colocaron en tubos que contenían mezclas de 2 ml de caldo Mueller Hinton y 1 ml de la suspensión de S. mutans. Se utilizó un tubo sin muestra de disco como control en blanco. Los tubos se incubaron a una temperatura controlada de 37 °C en aire enriquecido con 5% de CO2 durante 48 h. Luego, se retiraron los discos. Las suspensiones se agitaron en vórtex durante 30 s, seguidas de diluciones en serie hasta que se obtuvieron concentraciones bacterianas de 1 × 10–6 UFC/mL. A continuación, las suspensiones (200 µL) se sembraron en agar Mitis Salivarius y se incubaron a 37 °C en una atmósfera de CO2 al 5 % durante 48 h. A continuación, se contaron las unidades formadoras de colonias (log CFU/mL) usando un microscopio y análisis de imágenes.

Los datos numéricos se informan como la media y la DE. Los resultados se analizaron utilizando Prism versión 9.3 para macOS (GraphPad Software, San Diego, CA, EE. UU.). La normalidad de la distribución de datos se evaluó mediante la prueba de Shapiro-Wilk. Los resultados de liberación de iones y BFS se compararon mediante ANOVA unidireccional seguido de la prueba de comparaciones múltiples de Tukey. Las pruebas DC, BFM, Wsp, WSL, SBS y antibacterianas se compararon mediante la prueba de Kruskal-Wallis seguida de la prueba de Dunn. Se utilizó una prueba de chi-cuadrado para evaluar las puntuaciones de ARI entre los subgrupos adhesivos. La significación estadística se fijó en p = 0,05. El tamaño de la muestra utilizada en cada prueba fue calculado por el software G*Power 3.1 (Universidad de Dusseldorf, Dusseldorf, Alemania) utilizando los resultados de estudios publicados y un estudio piloto10,12,29. El resultado indicó que el tamaño de la muestra en cada prueba dio una potencia > 0,95 a alfa = 0,05. Además, se realizó un análisis factorial para evaluar los efectos del aumento de las concentraciones de Sr/CaP (5 a 10% en peso) y Andro (5 a 10% en peso) sobre las propiedades probadas 10.

Los Sr-BGNP esféricos monodispersos se sintetizaron con éxito en el rango de 170 ± 30 nm de diámetro a través de un proceso sol-gel (Fig. 1A, B). La composición elemental de los Sr-BGNP fue 81,0 % mol de SiO2, 14,2 % mol de CaO y 4,8 % mol de SrO. El patrón XRD de los Sr-BGNP mostró un amplio halo de partículas calcinadas a 680 °C, lo que indica que el óxido de calcio (CaO) y el óxido de estroncio (SrO) se incorporaron con éxito a la estructura amorfa (Fig. 1C).

(A,B) imágenes SEM y (C) patrón XRD de las nanopartículas de vidrio bioactivas Sr (Sr-BGNP).

Las CD más altas y más bajas se obtuvieron de las muestras S0A0 (62 ± 1 %) y Trans (38 ± 1 %), respectivamente (Fig. 2A). Las CD de las muestras S10A10 (47 ± 2 %), S10A5 (47 ± 6 %), S5A10 (48 ± 2 %) y S5A5 (46 ± 2 %) fueron comparables (p > 0,05). La conversión de S0A0 fue significativamente mayor que la de Trans (p < 0,01). El análisis factorial indicó que los aumentos en las concentraciones de Sr/CaP y Andro del 5 al 10% en peso mostraron efectos insignificantes en las CD de los materiales.

(A) Grado de conversión de monómero después de la fotopolimerización durante 20 s (media ± SD, n = 5). (B) Resistencia a la flexión biaxial (BFS) y (C) módulo de flexión biaxial (BFM) después de la inmersión en agua desionizada durante 24 h (media ± SD, n = 8). (D) Absorción de agua y (E) solubilidad en agua después de la inmersión en agua desionizada durante 4 semanas (media ± SD, n = 6). Las líneas indican p < 0,05.

Los BFS más altos y más bajos se obtuvieron de Trans (199 ± 22 MPa) y S10A10 (119 ± 6 MPa), respectivamente (Fig. 2B). Los BFS de Trans y S0A0 (193 ± 10 MPa) fueron significativamente más altos que los de S10A10 y S5A5 (147 ± 22 MPa) (p < 0,05). Los BFS de S0A0, S10A5 (143 ± 5 MPa), S5A10 (122 ± 8 MPa) y S5A5 (147 ± 8 MPa) fueron comparables (p > 0,05). El análisis factorial indicó que un aumento en Andro del 5 % en peso al 10 % en peso redujo el BFS en un 17 ± 4 %. Sin embargo, un aumento en el nivel de Sr/CaP mostró efectos insignificantes en los BFS de los materiales experimentales.

Los BFM más altos y más bajos se obtuvieron de S0A0 (6,1 ± 0,5 GPa) y S10A10 (4,9 ± 0,2 GPa) (Fig. 2C). Los BFM de S10A5, S5A10, S5A5 y Trans fueron 5,3 ± 0,5 GPa, 5,0 ± 0,2 GPa, 5,4 ± 0,3 GPa, 5,7 ± 0,3 GPa, respectivamente. El BFM de Trans fue comparable al de S5A10 (p = 0,461), S5A5 (p = 0,541) y S0A0 (p = 0,716). Los BFM de S10A10 y S5A10 fueron significativamente más bajos que los de S0A0 (p < 0,05) y Trans (p < 0,01). El análisis factorial mostró que un aumento en Andro del 5 % en peso al 10 % en peso redujo el BFM en un 10 ± 8 %. Sin embargo, un aumento en Sr/CaP mostró efectos insignificantes.

Los valores de sorción de agua más altos y más bajos se obtuvieron de S10A5 (48,6 ± 1,5 μg/mm3) y Trans (12,0 ± 1,0 μg/mm3), respectivamente (Fig. 2D). Los valores de sorción de agua de S10A10, S5A10, S5A5 y S0A0 fueron 46,0 ± 0,9 μg/mm3, 35,2 ± 1,0 μg/mm3, 32,9 ± 1,4 μg/mm3 y 22,7 ± 1,4 μg/mm3, respectivamente. Los valores de sorción de agua de S10A10 y S10A5 fueron significativamente más altos que los de S0A0 (p < 0,05) y Trans (p < 0,01). El análisis factorial indicó que un aumento en Sr/CaP del 5 al 10% en peso mejoró la sorción de agua en un 39 ± 4%, mientras que el efecto de Andro fue insignificante.

Las solubilidades en agua más alta y más baja se obtuvieron de S10A10 (5,9 ± 1,3 μg/mm3) y S0A0 (0,2 ± 1,2 μg/mm3), respectivamente (Fig. 2E). Las solubilidades en agua de F2, F3, F4 y Trans fueron 5,1 ± 1,6 μg/mm3, 5,9 ± 1,9 μg/mm3, 3,0 ± 1,0 μg/mm3 y 0,4 ± 1,0 μg/mm3, respectivamente. F1, F2 y F3 mostraron solubilidades en agua significativamente más altas que F5 (p < 0,05). F1 y F3 también mostraron solubilidades en agua significativamente más altas que Trans (p < 0,05). El análisis factorial indicó que un aumento en Andro del 5 al 10% en peso aumentó la solubilidad en agua en un 55,97 ± 55,91%, mientras que el efecto de Sr/CaP fue mínimo.

Los SBS más altos y más bajos (mediana, mín.-máx.) se obtuvieron de S0A0 (34,6, 24,9-41,5 MPa) y S10A10 (18,0, 11,0-27,1 MPa) (Fig. 3A). La SBS de Trans (26,6, 23,5–40,8 MPa) fue similar a la de S10A10, S10A5 (17,12, 14,0–30,0 MPa), S5A10 (25,5, 21,5–33,8 MPa), S5A5 (26,6, 19,8–35,0 MPa) y S0A0 (p > 0,05). El análisis factorial demostró que un aumento en Sr/CaP del 5 al 10 % en peso redujo la SBS en un 28 ± 22 %. El efecto de Andro fue insignificante. Las puntuaciones ARI más comunes observadas en todos los materiales fueron puntuaciones de 0 y 1 (Fig. 3B). Las puntuaciones ARI de 2 y 3 no se observaron en las muestras. La distribución de la puntuación entre cada grupo no fue similar (p < 0,05).

(A) Resistencias de unión al cizallamiento del esmalte de los materiales. Los recuadros representan el primer cuartil (Q1) al tercer cuartil (Q3), las líneas horizontales en el recuadro representan la mediana, los bigotes representan los valores máximo y mínimo y "+" representa el valor medio (n = 5). (B) Proporciones de los índices de restos de adhesivo (puntuaciones ARI) de las muestras de cada grupo. Las puntuaciones ARI de 2 y 3 no se detectaron en las muestras.

Se detectó la precipitación de cristales de fosfato de calcio en las superficies despegadas de los brackets de todos los grupos excepto S0A0 y Trans. Los resultados de EDX demostraron que el precipitado contenía Ca y P (Fig. 4).

Superficies de los adhesivos de las muestras representativas después del desprendimiento del esmalte. Se detectaron precipitados (flechas) en todos los grupos excepto en S0A0 y Trans. Un ejemplo de los resultados de EDX de la precipitación mostró que los principales elementos contenidos en los cristales precipitados son Ca y P.

No se detectaron iones Ca, P y Sr de S0A0 y Trans. Las concentraciones más altas y más bajas de iones Ca se detectaron en S10A5 (1,70 ± 0,29 ppm) y S5A5 (0,61 ± 0,02 ppm) (Fig. 5A). Para P, las concentraciones más altas y más bajas se detectaron en S10A5 (3,44 ± 0,10 ppm) y S5A5 (1,22 ± 0,03 ppm) (Fig. 5B). Asimismo, las concentraciones más altas y más bajas de Sr se detectaron en S10A5 (1,99 ± 0,73 ppm) y S5A5 (0,85 ± 0,22 ppm) (Fig. 5C). El análisis factorial demostró que un aumento en Sr/CaP de 5 a 10% en peso aumentó las cantidades de Ca y P liberados en 141 ± 19% y 119 ± 4%, respectivamente. Los efectos de aumentar las concentraciones de Sr/CaP y Andro sobre la liberación de Sr fueron insignificantes.

Concentraciones de (A) calcio, (B) fósforo y (C) iones de estroncio contenidos en la solución de almacenamiento a las 4 semanas (media ± DE, n = 3). Las cantidades de iones liberados de S0A0 y Trans estaban por debajo del límite de detección. Las líneas indican p < 0,05.

Las cantidades más altas y más bajas de S. mutans se detectaron en el control en blanco (3,8 ± 0,1 Log CFU/mL) y S10A5 (2,6 ± 0,3 Log CFU/mL) (Fig. 6). El valor de S10A5 fue significativamente menor que el del control en blanco (p < 0,01). La cantidad de S. mutans en S10A5 fue comparable a la de S10A10 (2,8 ± 0,1 Log CFU/mL), S5A10 (3,6 ± 0,1 Log CFU/mL), S5A5 2,9 ± 0,2 Log CFU/mL, S0A0 (3,1 ± 0,5 Log UFC/mL) y Trans (3,5 ± 0,1 Log UFC/mL) (p > 0,05). El análisis factorial mostró que un aumento en Sr/CaP del 5 al 10 % en peso redujo el Log CFU/mL de S. mutans en un 18 ± 3 %. Un aumento en Andro del 5 al 10% en peso no mostró reducción en la cantidad de S. mutans.

Cantidades de S. mutans en todos los materiales en comparación con el control en blanco (sin material) (media ± SD, n = 3). Las cantidades de iones liberados de S0A0 y Trans estaban por debajo del límite de detección. Las líneas indican p < 0,05.

La limitación del adhesivo de ortodoncia a base de resina de uso común es la falta de liberación de iones y acciones antibacterianas que dan como resultado la formación de lesiones de manchas blancas (caries tempranas) alrededor de los brackets, que es una complicación estética común durante el tratamiento de ortodoncia. El objetivo del presente estudio fue preparar adhesivos de ortodoncia experimentales que contuvieran Sr/CaP y Andro para promover la liberación de iones y la acción antibacteriana, lo que potencialmente podría ayudar a reducir el riesgo de lesiones de manchas blancas. Luego se determinaron los efectos de Sr/CaP y Andro sobre las acciones físico-mecánicas y antibacterianas de los adhesivos. La hipótesis de investigación fue rechazada porque los aumentos en las concentraciones de aditivos afectaron significativamente la sorción/solubilidad en agua, la resistencia y el módulo de flexión biaxial, la resistencia de unión al cizallamiento, la precipitación mineral, la liberación de iones y el crecimiento de S. mutans de los adhesivos experimentales.

Se requieren altos grados de conversión de monómeros de los adhesivos de ortodoncia para reducir el riesgo de lixiviación de monómeros tóxicos y proporcionar suficiente resistencia mecánica adhesiva36. La liberación de monómeros no unidos debido a la polimerización subóptima de los adhesivos de ortodoncia podría mejorar potencialmente la cariogenicidad de las biopelículas dentales5. Los aditivos redujeron la DC de los adhesivos de ortodoncia experimentales, lo que podría deberse a un aumento en el desajuste del índice de refracción10. Esto puede aumentar la dispersión de la luz y reducir la penetración de la luz y la polimerización en la superficie interna. Las DC más altas de los materiales experimentales en comparación con las de Trans podrían deberse a las diferencias en el monómero de metacrilato primario. El metacrilato de bisfenol A-glicidilo (Bis-GMA) es el monómero base principal de Trans. La temperatura de transición vítrea (Tg) de UDMA (-35,3 °C), que era el monómero base principal en el material experimental, es más baja que la de Bis-GMA (-7,7 °C). El polímero que contiene monómeros con una temperatura de transición vítrea (Tg) baja suele alcanzar un mayor nivel de conversión de monómero en comparación con los polímeros que consisten en monómeros de alta Tg37,38. Se esperaba que una mayor conversión de monómeros redujera el riesgo de liberación de monómeros39. Sin embargo, los estudios de elución y las pruebas de toxicidad deben incluirse en trabajos futuros.

Los materiales a base de resina pueden absorber agua del medio ambiente, lo que lleva a la expansión higroscópica, la degradación hidrolítica y la liberación de los componentes activos. La sorción excesiva de agua puede causar la plastificación del agua, lo que posteriormente podría reducir la resistencia de los materiales40,41. Además, la absorción de agua puede conducir a la expansión del volumen del material a base de resina, lo que podría ayudar a compensar la tensión de contracción de polimerización que se produjo dentro del material42. Los valores de Wsp de S10A10 y S10A5 fueron superiores al nivel requerido por BS ISO 4049 (< 40 µg/mm3). Esto podría deberse a las hidrofilias de MCPM y los Sr-BGNP. Sin embargo, los valores de Wsp fueron mucho más bajos que los de los adhesivos de ortodoncia con liberación de Ca/P desarrollados anteriormente que contenían 10% en peso de MCPM12. Esto podría deberse a que la concentración de MCPM (2,5–5% en peso) utilizada en el estudio actual fue menor que la utilizada en el estudio anterior. Los valores de sorción de agua de todos los adhesivos experimentales estuvieron dentro del rango requerido por BS ISO 4049 para composites dentales tipo cementación (< 7,5 µg/mm3). Estudios previos informaron que la adición de MCPM promovió la liberación de iones y la formación de rellenos de fosfato de calcio, como el fosfato dicálcico dihidratado (DCPD), cuya estructura contiene agua43,44. La formación de fosfato dicálcico en los materiales puede ayudar a disminuir la pérdida de masa y la disolución del agua. Otras posibles explicaciones incluyen la lenta degradación de las nanopartículas de vidrio bioactivas de estroncio y la baja solubilidad en agua de andrographolide.

Actualmente, no existen requisitos mínimos especificados por la ISO para las resistencias de unión al cizallamiento del esmalte de los adhesivos de ortodoncia. Un SBS alto es esencial para garantizar que la fuerza activa del arco se pueda transferir al diente anclado sin que se desprenda. Aunque los SBS de los adhesivos experimentales fueron inferiores a los de Trans, los valores seguían siendo superiores al SBS mínimo clínicamente aceptable (5,9-7,8 MPa)45. Se especula que la adición de rellenos no silanizados puede reducir perjudicialmente los SBS de los adhesivos experimentales por la degradación acelerada de la interfase matriz-relleno durante el termociclado. Los SBS de los adhesivos experimentales obtenidos a partir de los materiales experimentales aún se encontraban dentro del rango o superior al informado en los estudios publicados (6–32 MPa)46,47. Esto podría deberse al uso de un número mínimo de ciclos de envejecimiento (500 ciclos) de acuerdo con la norma ISO (British Standard PD ISO/TS 11405:2015 Dentistry-Testing of adhesion to tooth structure) en el presente estudio32. Se debe utilizar un mayor número de ciclos de envejecimiento, es decir, de 5000 a 30 000 ciclos, en estudios futuros para garantizar el rendimiento de unión a largo plazo de los materiales 48.

Aunque los valores de SBS observados entre los adhesivos experimentales fueron similares, el análisis factorial indicó que la incorporación de Sr/CaP redujo los SBS de los materiales en ~ 28 %. La reducción de SBS al añadir cargas reactivas podría deberse a la falta de silanización de los aditivos oa la hidrofilia de las cargas Sr/CaP49,50. Se especula que el efecto principal podría provenir principalmente de MCPM debido a su alta solubilidad en agua (~ 18 g/L a 25 °C)11,44,50,51. Por lo tanto, el trabajo futuro puede necesitar evaluar la formulación con MCPM de bajo nivel (1-2 % en peso) o sin MCPM (0 % en peso). Esto también podría ayudar a reducir la solubilidad/absorción de agua excesiva de los materiales experimentales.

El índice de remanente de adhesivo (ARI, 0 a 4) es uno de los métodos más utilizados para evaluar las características de la adhesión entre el adhesivo y el esmalte. Una puntuación ARI alta puede indicar una adhesión excesivamente fuerte entre el adhesivo y la superficie del esmalte, lo que podría provocar la fractura del esmalte en la interfaz. Por lo tanto, se prefiere la falla dentro de la capa adhesiva (puntuación ARI baja) durante el desprendimiento de los brackets para reducir el riesgo de ruptura de la superficie del esmalte. Las puntuaciones ARI de los materiales en los estudios actuales fueron en su mayoría de 0 o 1, que fue similar a la de los estudios publicados52,53. Esto puede ser deseable para ayudar a preservar la superficie del esmalte durante el descementado de los brackets.

La adición de rellenos Sr/CaP promovió la liberación de iones Ca, P y Sr. Se esperaba que estos iones promovieran condiciones adecuadas para la precipitación de hidroxiapatita biológica para mejorar la remineralización. Los adhesivos experimentales que contenían altas concentraciones de Sr/CaP (S10A10, S10A5) mostraron mayores cantidades de iones Ca y P liberados en comparación con las formulaciones con concentraciones más bajas de Sr/CaP. Una posible explicación de esto podría ser que la liberación de iones Ca y P se deba principalmente a la disolución de MCPM. Las diferencias en la liberación de Sr2+ entre los grupos no se observaron claramente, lo que puede deberse a la menor solubilidad de los Sr-BGNP. Todos los adhesivos experimentales que contenían Sr/CaP promovieron la precipitación de fosfato de calcio en la interfase. Los resultados de EDX mostraron que la relación atómica Ca/P del precipitado (0,5) en los brackets descementados era mucho menor que la de la hidroxiapatita (1,67). Esto puede sugerir que el precipitado podría ser representativo de la etapa temprana de formación de cristales de fosfato de calcio porque el tiempo de inmersión de la muestra fue de solo 24 h. La relación Ca/P puede aumentar con el aumento del tiempo de inmersión54. Un estudio previo demostró que la precipitación de hidroxiapatita podría detectarse en un adhesivo de ortodoncia que contiene vidrio bioactivo después de la inmersión en saliva artificial durante 6 meses55. En estudios futuros se puede emplear un tiempo de inmersión más largo para confirmar la capacidad de los materiales para promover la formación de apatita.

El aumento en el nivel de Sr/CaP del 5 al 10% en peso (S10A10, S10A5) mejoró la inhibición del crecimiento del S. mutans planctónico exhibido por los adhesivos de ortodoncia experimentales. Se especuló que la acción bacteriostática observada con los adhesivos de ortodoncia experimentales podría deberse principalmente a los Sr-BGNP, ya que los beneficios potenciales de la liberación de Sr2+ incluyen acciones tanto remineralizantes como antibacterianas18. Este resultado estuvo de acuerdo con los de estudios previos que demostraron las acciones antibacterianas de los vidrios bioactivos que contienen Sr56,57. Se especuló que la inhibición del crecimiento de S. mutans podría deberse a la liberación de Sr-BGNP de los adhesivos experimentales debido a la falta de silanización. La gran relación superficie-volumen y la alta densidad de carga de las nanopartículas pueden facilitar las interacciones con las membranas celulares bacterianas cargadas negativamente, lo que aumenta la actividad antimicrobiana de las nanopartículas incluso a bajas concentraciones58. El estudio actual, sin embargo, no pudo demostrar la inhibición del crecimiento de S. mutans planctónico por Andro. Una posible explicación de esto podría deberse a la baja solubilidad de Andro59, lo que puede limitar su liberación de los adhesivos. Además, se propuso que la acción antibacteriana de Andro involucraba principalmente la inhibición de la biopelícula a través de Andro actuando como un inhibidor de detección de quórum que interfería con el proceso de formación de biopelículas60. Además, cabe mencionar que la inhibición del crecimiento bacteriano puede deberse a los monómeros que no reaccionan liberados de los materiales61. Por lo tanto, el estudio de elución de monómeros debe examinarse en trabajos futuros.

Cabe mencionar que el estudio actual fue un estudio in vitro, por lo que la relevancia clínica debe interpretarse cuidadosamente. Los resultados de este estudio preliminar indican que la formulación con un alto nivel de Sr/CaP (S10A10 y S10A5) exhibió generalmente resultados deseables y aceptables excepto por sorción/solubilidad en agua. Puede ser necesaria una mayor caracterización y modificación de las formulaciones en trabajos futuros.

Se desarrollaron adhesivos de ortodoncia experimentales que contenían MCPM/Sr-BGNP y Andro para promover la liberación de iones e inhibir las bacterias cariogénicas. Los aditivos redujeron las propiedades físicas y mecánicas de los materiales, pero los valores correspondientes todavía estaban dentro del rango aceptable. La adición de Sr/CaP promovió la precipitación de fosfato de calcio y la inhibición de S. mutans planctónico. El aumento de Andro redujo la resistencia de los materiales y no logró demostrar acciones antibacterianas. Se esperaba que estas propiedades prometedoras de los adhesivos de ortodoncia experimentales ayudaran a reducir el riesgo de desarrollar lesiones de manchas blancas alrededor de cantidades excesivas de adhesivo en pacientes con alto riesgo de caries.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores agradecen el apoyo de la Unidad de Investigación de la Universidad de Thammasat en Biomateriales Dentales y de Sustitutos Óseos de la Universidad de Thammasat. Las jeringas de adhesivos de ortodoncia experimentales fueron proporcionadas por medmix Switzerland AG. Los autores desean agradecer a la Srta. Arnit Toneluck del Laboratorio de Biomateriales y Extractos Medicinales de la Facultad de Odontología de la Universidad de Thammasat por su apoyo técnico.

Este estudio fue apoyado por la Facultad de Odontología de la Universidad de Thammasat.

División de Ortodoncia, Facultad de Odontología, Universidad de Thammasat, Pathum Thani, 12120, Tailandia

Wirinrat Chaichana, Kanlaya Insee, Supachai Chanachai y su nombre es Benjakul

División de Biología Oral, Facultad de Odontología, Universidad de Thammasat, Pathum Thani, 12120, Tailandia

Visakha Aupaphong

Programa de Ingeniería Biológica, Facultad de Ingeniería, Universidad Tecnológica Rey Mongkut Thonburi, Bangkok, 10140, Tailandia

Parichart Narupontjirakul

División de Odontología Restauradora, Universidad de Thammasat, Pathum Thani, 12120, Tailandia

Piyaphong Panpisut

Unidad de investigación de la Universidad de Thammasat en biomateriales dentales y sustitutos óseos, Universidad de Thammasat, Pathum Thani, 12120, Tailandia

Piyaphong Panpisut

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WC fue responsable de la conceptualización, la metodología, la investigación, la curación de datos, el análisis formal, la redacción de la preparación del borrador original, la redacción, la revisión y la edición; SC fue responsable de la conceptualización, la metodología, la investigación, la curación de datos, el análisis formal, la preparación del borrador original de redacción y la revisión y edición de la redacción; KI fue responsable de la conceptualización, la metodología, la adquisición de fondos, la supervisión, la administración del proyecto y la redacción de la preparación del borrador original; SB fue responsable de la conceptualización, la metodología, la adquisición de fondos, la supervisión, la administración del proyecto y la redacción de la preparación del borrador original; VA fue responsable de la conceptualización, la metodología, la adquisición de fondos, la supervisión, la administración del proyecto, la redacción, revisión y edición, y la redacción y preparación del borrador original; PN fue responsable de la conceptualización, metodología, recursos, adquisición de fondos, redacción-preparación del borrador original y redacción-revisión y edición; PP fue responsable de la conceptualización, metodología, investigación, validación, análisis formal, recursos, obtención de fondos, supervisión, administración del proyecto, redacción-preparación del borrador original y redacción-revisión y edición. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Piyaphong Panpisut.

Los autores PP, PN, WC, SC declaran la solicitud de patente pequeña provisional tailandesa (número 2103003085, fecha de presentación: 25 de octubre de 2021). Los autores KI, SB y VA declaran no tener intereses contrapuestos. Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio; en la recopilación, análisis o interpretación de datos; en la redacción del manuscrito; o en la decisión de publicar los resultados.

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Reimpresiones y permisos

Chaichana, W., Insee, K., Chanachai, S. et al. Propiedades físicas/mecánicas y antibacterianas de los adhesivos de ortodoncia que contienen nanopartículas de vidrio bioactivas de Sr, fosfato de calcio y andrografólido. Informe científico 12, 6635 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-10654-6

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Recibido: 05 enero 2022

Aceptado: 12 abril 2022

Publicado: 22 abril 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-10654-6

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