Испитивање Биокомпатибилности Наноматеријала на Бази Калцијум Силиката и Његовог Утицаја на Пулпо-пародонтално Ткиво

Abstract

Увод: Биокомпатибилност се тумачи као способност материјала да делује уз адекватан одговор домаћина у одређеној ситуацији. Одговор домаћина на страно тело зависиће од његове хемијске реактивности, површинске структуре и топографије. Доказано је да наноструктурирана површина ближе подражава хијерархијску организацију коштаног ткива у односу на микроструктурирану, повећањем концентрације активних биомолекула који утичу на ћелијску миграцију, адхезију, диференцијацију и пролиферацију. Током деведесетих година, минерални триоксидни агрегат (МТА) представљен је као материјал избора за ретроградне кавитете због нижег апикалног микропропуштања, везивања у присуству влаге и високе pH вредности. Упркос повољним особинама, МТА показује суву конзистенцију, ниску вискозност и дуго времена везивања, што ограничава његову клиничку употребу. Циљ ове студије био је да се синтетишу наноматеријали на бази веома активних калцијум-силиката унапређених физичко-хемијских својстава и испитају њихова биокомпатибилност и биоактивност у односу на МТА⁺(Cerkamed, Stalowa Wola- Пољска).

Материјали и Метод:Поступак сол-гел методе у комбинацији са методом високо-температурне ланчане реакције сагоревања примењен је у току синтезе испитиваних материјала. Анализа фаза пре и после хидратација изведена је помоћу XRD и FTIR, док је морфологија узорака проучавана SEM и EDS. pH мерења су обављена коришћењем pH-метра, док је количина ослобођених јона одређивана коришћењем ICP-OES. Биокомпатибилност свежих материјала и њихових екстраката (24h, 7 и 21 дан) је испитана применом индиректног теста (МТТ), директног теста (LDH), теста пролиферације (3H-тимидин) и директном методом (Неутрално црвена). Интеракција директно примeњених испитиваних материјала са пулпним ткивом анализирана је на моделу културе хуманих зуба (15 и 30 дана). Осамнаест заморца служило је за интрамишићну имплементацију стерилних полиетиленских цевчица испуњених испитиваним материјалима (15, 30 и 60 дана). За интракоштани имплантациони тест употребљено је дванаест новозеландских белих зечева подељених у две групе (30 и 90 дана).По четири дефекта на калварији су формирана трепан борерима и испуњена свеже замешаним испитиваним материјалима. Степен запаљенске реакције и коштане регенерације оцењиван је према претходно утврђеним критеријумима. Статистичка анализа података обављена је употребом ANOVA Repeated Measures и Kruskal-Vallis теста (IBM SPSS 20, New York, САД).

Резултати:Испитиваних материјала састојали су се од агломерата изграђених од наночестица, величине између 90 и 500 nm, сферичног или штапићастог облика са хомогеном дистрибуцијом фаза. pH вредности свежих раствора материјала ALBO-MPCA1, ALBO-MPCA2 и GREY-MPCA показале су тенденцију раста, за разлику од МТА+ ; док су pH вредности екстраката биле ниже, али алкалне. Концентрација ослобођених јона калцијума и алуминијума се смањивала, док се концентрација бизмута (ALBO-MPCA1, MTA+ ), баријума (ALBO-MPCA2) и магнезијума (у случају свих материјала), повећавала током периода од 21 дана. Само је тестирани материјал GREY-MPCA показао дознозависну цитотоксичност. Метаболичка активност ћелија повећавала се са временом екстракције, осим у случају неразблажених екстраката ALBO-MPCA1, ALBO-MPCA2 и GREY-MPCA (21 дан).

Alternate abstract:

Introduction: Biocompatibility is interpreted as the material's ability to act within the adequate host response in a specific situation. The host’s response to foreign body will depend on its chemical reactivity, surface structure and topography. It has been shown that nanostructured surface more closely mimic the hierarchical organization of the bone tissue in comparison to microstructured, by increasing the concentration of active biomolecules that may affect cell migration, adhesion, differentiation and proliferation. During the nineties, mineral trioxide aggregate (MTA) was presented as a material of choice for retrograde fillings because of its lower apical microleakage, setting in the presence of moisture and high pH. Despite some favorable properties, MTA exhibits dry consistency, low flowability and long setting time which limit its clinical use. The aim of this study was to synthesize nanostructured materials based on highly active calcium silicates with enhanced properties and analyze their biocompatibility and bioactivity in comparison to MTA⁺(Cerkamed, Stalowa Wola- Poland).

Materials and Methods:The sol-gel method in a combination with hightemperature self-propagating reaction was applied for the synthesis of investigated materials. Phase analysis of investigated materials before and after hydratation was performed by XRD and FTIR, while the morphology of the samples was studied by SEM and EDS. The pH measurements were performed using pH-meter, while the amount of released ions was determined using ICP-OES. Biocompatibility of fresh investigated materials and their elutes (24h, 7 and 21 day) was conducted using indirect (MTT), direct test (LDH), proliferation test (3H-thymidine) and direct method (Neutral red). The interaction of directly applied investigated materials with dental pulp tissue was analyzed in an entire human tooth culture model (15 and 30 days). Eighteen guinea pigs received intramuscular sterile polyethylene tubes filled with investigated materials (15, 30 and 60 days). For intraosseous implementation twelve New Zealand white rabbits, divided into two groups (30 and 90 days) were used. Four calvary defects per animal were created with trepan burs and filled with freshly prepared investigated materials. The occurrence of inflammatory responses and hard tissue formation was categorized according to the previously established scores...

Result: Samples of investigated materials consisted of agglomerates built up from nanoparticles, mostly ranged between 90 and 500 nm, preferentially spherical and rodelike with the homogenous distribution of the phases. The pH values of fresh materials ALBO-MPCA1, ALBO-MPCA₂ and GREY-MPCA showed increasing tendency, contrary to MTA+ , while the pH values of materials’ elutes were lower, but still alkaline. The amount of calcium and aluminum ion release decreased, while the amount of bismuth (ALBO-MPCA1, MTA+ ), barium (ALBO-MPCA2) and magnesium, (respecting all investigated materials) increased over the period of 21 days. Only investigated material GREY-MPCA exhibited dose-dependent cytotoxicity. The metabolic activity of cells increased following the extraction time, except in case of undiluted elutes of ALBO-MPCA1, ALBO-MPCA₂ and GREY-MPCA (21-day). According to LDH test, cytotoxicity percent decreased with extraction time, except in case of diluted samples of ALBO-MPCA₂and GREY-MPCA (21-day). An increase of cell proliferation was observed in the case of undiluted extracts of ALBO-MPCA1 and ALBO-MPCA₂(7-days).