DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37048-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667585
تاريخ النشر: 2026-02-10
المؤلف: Dina Ezzat وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تتناول الدراسة التحدي المستمر للتسوس المتكرر في طب الأسنان الترميمي من خلال استكشاف الخصائص الفيزيائية الميكانيكية للأسمنت الزجاجي الأيوني (GIC) المعدل بجزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (CA-TiO₂NPs) التي تم الحصول عليها من مستخلص بذور الليمون الحامض. تجمع هذه الأبحاث بشكل فريد بين التخليق النباتي مع التقييم الميكانيكي المنهجي والفحص الأولي للسلامة باستخدام الحاسوب. تم دمج CA-TiO₂NPs في GIC التقليدي بتركيزات 5% و 10% وزن/وزن، وتم تقييم خصائص ميكانيكية مختلفة وفقًا للمعايير المعمول بها. ومن الجدير بالذكر أن مجموعة 10% CA-TiO₂NPs أظهرت تحسينات كبيرة في معامل الانحناء والصلابة الدقيقة (P < 0.0001)، إلى جانب تقليل امتصاص الماء والذوبانية، على الرغم من أن الفروقات في قوة الانحناء لم تكن ذات دلالة إحصائية. تشير النتائج إلى أن دمج هذه الجزيئات النانوية يمكن أن يعزز الخصائص الميكانيكية لـ GIC، مما يجعله أكثر ملاءمة للتطبيقات الحاملة للأحمال ويحسن استقرار الترميم. علاوة على ذلك، أشارت تحليلات السلامة الدوائية والسمية باستخدام الحاسوب إلى ملف سلامة مواتٍ للمكونات الكيميائية النباتية المعنية في تخليق الجزيئات النانوية. لا يسلط هذا الإطار التجريبي الضوء فقط على إمكانيات التكنولوجيا النانوية الخضراء في تحسين المواد الترميمية، بل يؤكد أيضًا على أهمية التقييمات الأولية للسلامة، مما يمهد الطريق للتحقق البيولوجي المستقبلي والتقييمات السمومية الشاملة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن مجموعة 10% CA-TiO₂ NPs أظهرت أعلى قوة انحناء (23.6 ± 5.6 ميغاباسكال) ومعامل انحناء (3.3 ± 1.0 جيجاباسكال) بين المجموعات المختبرة، على الرغم من عدم ملاحظة فروقات ذات دلالة إحصائية في قوة الانحناء (P = 0.35). في المقابل، أظهر معامل الانحناء فروقات ذات دلالة إحصائية (P < 0.0001)، خاصة بين مجموعة التحكم ومجموعة 5% CA-TiO₂ NPs، وكذلك بين مجموعة التحكم ومجموعة 10% CA-TiO₂ NPs. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت مجموعة 10% TiO₂ صلابة دقيقة متفوقة عند 100.4 ± 5.9 VHN، متفوقة بشكل كبير على كل من مجموعة التحكم ومجموعة 5% CA-TiO₂ NPs (P < 0.0001). كشفت التحليلات باستخدام الحاسوب أن عشرة مكونات تم تحديدها بواسطة GC-MS من CA-TiO₂ NPs أظهرت امتصاصًا عاليًا في الجهاز الهضمي وإمكانية منخفضة لتفاعلات الأدوية، مع ظهور معظمها بمعدل توافر حيوي منخفض ودهون عالية. بينما تم التنبؤ بأن جميع المركبات ستخترق حاجز الدم-الدماغ (BBB)، فإن توافرها الحيوي المتواضع وسرعة إزالتها تشير إلى عمل محلي بشكل أساسي بدلاً من التعرض الجهازي. أشارت تقييمات السلامة إلى سمية حادة متوسطة إلى منخفضة لمعظم المركبات، مع وجود بعض المركبات التي تم الإشارة إليها لاحتمالية التسبب في الطفرات والسمية البيئية، مما يستدعي مزيدًا من التحقيق. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه بينما تظهر CA-TiO₂ NPs خصائص ميكانيكية واعدة، فإن الاعتبار الدقيق لملف سلامتها ضروري للتطبيقات السريرية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على النتائج المهمة المتعلقة بإدماج جزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (CA-TiO₂ NPs) المستمدة من الليمون الحامض في الأسمنت الزجاجي الأيوني (GIC). أثبتت الدراسة أنه على الرغم من أن إضافة CA-TiO₂ NPs لم تعزز إحصائيًا قوة الانحناء لـ GIC، إلا أنها أدت إلى تحسينات ملحوظة في معامل المرونة والصلابة السطحية الدقيقة. تم عزو الخصائص الميكانيكية إلى التشتت الفعال للجزيئات النانوية وقدرتها على ملء الفراغات داخل مصفوفة GIC، وهو أمر حاسم لتعزيز قوة المادة واستقرارها تحت ظروف التحميل السريرية. كما أكدت الدراسة على أهمية شكل الجزيئات النانوية، حيث كانت الجزيئات شبه الكروية بمتوسط حجم ~12 نانومتر، مما ساهم في تعزيز الميكانيكية لـ GIC.
علاوة على ذلك، قدم دمج التحليلات باستخدام الحاسوب رؤى حول السلامة والملفات الدوائية للمركبات الكيميائية النباتية المعنية في تخليق الجزيئات النانوية. أشارت النتائج الحاسوبية إلى مستويات سمية منخفضة وخصائص امتصاص مواتية للمواد الأيضية المحددة، مما يشير إلى خطر بيولوجي ضئيل مرتبط باستخدامها. لا يدعم هذا النهج المزدوج الذي يجمع بين المنهجيات التجريبية والحاسوبية فقط التحسينات الميكانيكية الملحوظة، بل يؤسس أيضًا إطارًا لتقييم التوافق الحيوي والسلامة البيئية للمواد التي تم تخليقها بشكل أخضر. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن CA-TiO₂ NPs يمكن استخدامها بشكل فعال لتحسين أداء GIC في التطبيقات السنية الحاملة للأحمال مع الحفاظ على ملف سلامة مواتٍ.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود قد تؤثر على تفسير نتائجها. أولاً، تم تقييم تركيزين فقط من جزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ NPs)، وهما 5% و 10%، مما قد يؤثر بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية للمواد المختبرة. أظهرت الأبحاث السابقة التي أجراها ما وآخرون أن التركيزات التي تقل عن 1% لم تؤثر سلبًا على الخصائص الفيزيائية أو السمية الخلوية، وهو عامل حاسم لمواد حشو الأسنان. ومع ذلك، قد تؤثر التركيزات الأعلى على جودة الربط مع العاج، مما يتطلب اختيارًا دقيقًا لمستويات TiO₂ NP.
بالإضافة إلى ذلك، كانت التقييمات باستخدام الحاسوب التي أجريت في هذه الدراسة محدودة بالمركبات الكيميائية النباتية المعزولة ولم تأخذ في الاعتبار التفاعلات المعقدة داخل بيئة الأسمنت. النماذج الحاسوبية المستخدمة، مثل SwissADME وDeep-PK وProTox، مصممة أساسًا للجزيئات الصغيرة تحت ظروف التعرض الفموي، وبالتالي تقدم فقط رؤى على مستوى الفحص حول سمية المواد الأيضية المحددة. كما أن الدراسة لم تتضمن اختبارات مضادة للبكتيريا واختبارات الأغشية الحيوية لتقييم الإمكانات المضادة للتسوس للجزيئات النانوية. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية مجموعة أوسع من التركيزات، وتقيّم تأثير الشيخوخة على الأسمنت الزجاجي الأيوني المدعم بثاني أكسيد التيتانيوم (GIC)، وتدمج اختبارات السمية الخلوية وتحليلات إطلاق الأيونات الديناميكية لتحسين العلاقة بين التنبؤات الجزيئية والنتائج البيولوجية. يمكن أن يحسن نمذجة الحاسوب المعززة التي تشمل تفاعلات البروتين-الليغاند والتفاعلات اللعابية تقييمات السلامة بشكل أكبر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37048-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41667585
Publication Date: 2026-02-10
Author(s): Dina Ezzat et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
The study addresses the persistent challenge of recurrent caries in restorative dentistry by exploring the physicomechanical properties of glass ionomer cement (GIC) modified with green-synthesized titanium dioxide nanoparticles (CA-TiO₂NPs) derived from Citrus aurantium seed extract. This research uniquely combines plant-mediated synthesis with systematic mechanical evaluation and preliminary in silico safety screening. The CA-TiO₂NPs were incorporated into conventional GIC at concentrations of 5% and 10% w/w, and various mechanical properties were assessed according to established standards. Notably, the 10% CA-TiO₂NPs group demonstrated significant improvements in flexural modulus and microhardness (P < 0.0001), alongside reduced water sorption and solubility, although flexural strength differences were not statistically significant. The findings suggest that the integration of these nanoparticles can enhance the mechanical properties of GIC, making it more suitable for load-bearing applications and improving restoration stability. Furthermore, the study's in silico pharmacokinetic and toxicological analyses indicated a favorable safety profile for the phytochemical constituents involved in nanoparticle synthesis. This proof-of-concept framework not only highlights the potential of green nanotechnology in enhancing restorative materials but also emphasizes the importance of preliminary safety assessments, paving the way for future biological validation and comprehensive toxicological evaluations.
Results
The results of the study indicate that the 10% CA-TiO₂ NPs group exhibited the highest flexural strength (23.6 ± 5.6 MPa) and flexural modulus (3.3 ± 1.0 GPa) among the tested groups, although no statistically significant differences in flexural strength were observed (P = 0.35). In contrast, the flexural modulus showed significant differences (P < 0.0001), particularly between the control and the 5% CA-TiO₂ NPs groups, as well as between the control and the 10% CA-TiO₂ NPs groups. Additionally, the 10% TiO₂ group demonstrated superior microhardness at 100.4 ± 5.9 VHN, significantly outperforming both the control and the 5% CA-TiO₂ NPs groups (P < 0.0001). In silico analyses revealed that the ten GC-MS-identified constituents of CA-TiO₂ NPs exhibited high gastrointestinal absorption and low potential for drug-drug interactions, with a majority showing low bioavailability and high lipophilicity. While all compounds were predicted to penetrate the blood-brain barrier (BBB), their modest bioavailability and rapid clearance suggest a primarily local action rather than systemic exposure. Safety assessments indicated moderate to low acute toxicity for most compounds, with some flagged for potential mutagenicity and ecotoxicity, warranting further investigation. Overall, the findings suggest that while the CA-TiO₂ NPs exhibit promising mechanical properties, careful consideration of their safety profile is necessary for clinical applications.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant findings regarding the incorporation of Citrus aurantium-mediated titanium dioxide nanoparticles (CA-TiO₂ NPs) into glass ionomer cement (GIC). The study established that while the addition of CA-TiO₂ NPs did not statistically enhance the flexural strength of GIC, it did lead to notable improvements in elastic modulus and surface microhardness. The mechanical properties were attributed to the effective dispersion of nanoparticles and their ability to fill voids within the GIC matrix, which is critical for enhancing material strength and stability under clinical loading conditions. The study also emphasized the importance of nanoparticle morphology, with quasi-spherical particles averaging ~12 nm in size, which contributed to the mechanical reinforcement of the GIC.
Furthermore, the integration of in silico analyses provided insights into the safety and pharmacokinetic profiles of the phytochemicals involved in nanoparticle synthesis. The computational results indicated low toxicity levels and favorable absorption characteristics for the identified metabolites, suggesting minimal biological risk associated with their use. This dual approach of combining experimental and computational methodologies not only supports the mechanical enhancements observed but also establishes a framework for assessing the biocompatibility and environmental safety of green-synthesized materials. Overall, the findings suggest that CA-TiO₂ NPs can be effectively utilized to improve the performance of GIC in load-bearing dental applications while maintaining a favorable safety profile.
Limitations
The study presents several limitations that may affect the interpretation of its findings. Firstly, only two concentrations of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs), specifically 5% and 10%, were evaluated, which could significantly influence the physical properties of the materials tested. Previous research by Ma et al. indicated that concentrations below 1% did not adversely affect physical properties or cytotoxicity, a critical factor for dental filling materials. However, higher concentrations may compromise bond quality with dentin, necessitating careful selection of TiO₂ NP levels.
Additionally, the in silico evaluations conducted in this study were limited to isolated phytochemicals and did not account for the complex interactions within the cement environment. The computational models employed, such as SwissADME, Deep-PK, and ProTox, are primarily designed for small molecules under oral exposure conditions, thus providing only screening-level insights into the toxicity of the identified metabolites. The study also lacked antibacterial and biofilm assays to evaluate the anticariogenic potential of the nanoparticles. Future research should explore a wider range of concentrations, assess the impact of aging on titanium dioxide-reinforced glass ionomer cements (GIC), and incorporate cytotoxicity assays and dynamic ion-release analyses to better correlate molecular predictions with biological outcomes. Enhanced computational modeling that includes protein-ligand and salivary interactions could further improve safety assessments.