الكلمات الرئيسية: المواد الحيوية، مركب الراتنج السني، في السيليكو، التحليل الجزيئي، الديناميكا الجزيئية

تم اعتماد مركبات الراتنج السني المعتمدة على الراتنج على نطاق واسع في طب الأسنان الترميمي الحديث، ويرجع ذلك أساسًا إلى خصائصها الجمالية الفائقة وقدرتها على إنشاء روابط لاصقة مباشرة مع هياكل الأسنان [1]. تتكون هذه المواد من مصفوفة تتكون من مونومرات قابلة للبلمرة وحشوات غير عضوية، مما يوفر خيارات جمالية ومناسبة حيويًا لاستعادة الأسنان [2]. تتكون المصفوفة عمومًا من شبكة راتنج سنية ثلاثية الأبعاد تضم البيسفينول-أ-جليكيدي الميثاكريلات (Bis-GMA) الممزوجة بمونومرات ثلاثي إيثيلين جليكول ديميثاكريلات (TEGDMA) [3]. ومع ذلك، على الرغم من مزاياها، فإن مركبات الراتنج السني لها قيود. تشمل هذه القيود تحديات تتعلق بالالتصاق بأسطح الأسنان وخصائص بيوميكانيكية غير مثالية مقارنة بالمواد الترميمية التقليدية مثل الأملغم أو السيراميك [4، 5]. الالتصاق أمر بالغ الأهمية لنجاح الترميم السني على المدى الطويل [6]. يمكن أن يؤدي التسرب المجهري عند واجهة المركب-السن إلى تسوس ثانوي وفشل الترميم. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تظهر مركبات الأسنان قوة انحناء وقوة كسر أقل مقارنة بالبدائل، مما يحد من قدرتها على تحمل قوى المضغ الشديدة في تجويف الفم [7، 8].
تحسين الالتصاق بهياكل الأسنان أمر حيوي لمنع التسرب المجهري والتسوس الثانوي، وهما من المقدمات الشائعة لفشل الترميم وعدم راحة المريض [9، 10]. يلعب إدخال الحشوات غير العضوية، مثل , و , دورًا حاسمًا في تعزيز خصائص الراتنجات السنية. إحدى الفوائد الرئيسية هي تقليل انكماش البلمرة، وهو تحدٍ شائع في مواد الراتنج السني. يقلل إدخال هذه الحشوات من الانكماش الكلي للحجم أثناء البلمرة، ويحسن الاستقرار الأبعاد، ويقلل من خطر الفجوات أو التسرب المجهري عند واجهة الترميم-السن [11-14]. علاوة على ذلك، فإن تعزيز الخصائص البيوميكانيكية في مركبات الراتنج السني، التي تشمل معايير مثل معامل يونغ، ومعامل القص، وقوة الانحناء، أمر بالغ الأهمية لضمان طول عمرها ومرونتها في البيئة الفموية الصعبة [7]. يعتبر معامل يونغ، وهو مقياس لصلابة المادة، أمرًا حيويًا في تحديد كيفية استجابة مركب الراتنج السني للقوى الخارجية. بالنسبة للترميمات السنية، فإن معامل يونغ العالي يكتسب أهمية خاصة في السيناريوهات التي تتعرض فيها الترميمات مباشرة لضغط المضغ. هذا أمر حاسم لمنع خطر حدوث تشققات في هيكل السن، مما يضمن أن الترميم يمكن أن يتحمل القوى الشديدة التي تُمارس أثناء المضغ [1518]. من ناحية أخرى، يمثل معامل القص مقاومة المادة للتشوه تحت ضغط القص. في التطبيقات السنية، تكون قوة القص شائعة أثناء العض والمضغ. يشير معامل القص الأعلى إلى
مقاومة أكبر لتشويه الشكل تحت ضغط القص، مما يساهم في السلامة الهيكلية العامة لمركبات الراتنج السني [19-21]. علاوة على ذلك، تعتبر قوة الانحناء مؤشرًا حاسمًا على أداء المواد السنية، حيث تحدد قدرتها على تحمل قوى الانحناء التي تواجهها أثناء المضغ [22-24].

تسلط هذه التحديات الضوء على الحاجة الملحة لاستراتيجيات مبتكرة لتعزيز أداء مركبات الراتنج السني. تبدأ هذه الورقة البحثية رحلة رائدة لمعالجة هذه القيود من خلال تطبيق تحسين مدفوع بالديناميكا الجزيئية. لقد تطورت تقنيات التحليل الجزيئي ومحاكاة الديناميكا الجزيئية إلى أدوات قوية في اكتشاف الأدوية وعلوم المواد [25، 26]. عند تطبيقها على مركبات الراتنج السني، تقدم هذه التقنيات الحاسوبية فرصة لتحديد المعدلات المرشحة، مثل معززات الالتصاق أو عوامل التعزيز، وتوقع فعاليتها في تحسين الالتصاق والخصائص البيوميكانيكية.

كعنصر أساسي في هذا البحث، يتضمن التحليل الجزيئي التوقع الحاسوبي للتفاعلات الربط بين الجزيئات. تسمح مركبات الراتنج السني بتقييم تفاعل مكونات المركب مع هياكل الأسنان أو جزيئات حيوية أخرى ذات صلة [27]. يمكن استخدام هذه المعرفة، المستمدة من محاكاة التحليل الجزيئي، كدليل لاختيار المعدلات القادرة على تعزيز الالتصاق. بالمقابل، تقدم محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) منظورًا ديناميكيًا حول التفاعلات الجزيئية على مر الزمن [28]. من خلال تعريض المواد المركبة لظروف ديناميكية تحاكي البيئة الفموية، يمكن للباحثين الحصول على رؤى حول الطبيعة المتطورة للتفاعلات بين الجزيئات. يحمل هذا الفهم الديناميكي القدرة على كشف طرق التحسين في السعي نحو تحسين الالتصاق والخصائص البيوميكانيكية.

لقد ظهرت محاكاة الديناميكا الجزيئية كطريقة محورية على المستوى الذري في مواد الأسنان، حيث تقدم نهجًا من الأسفل إلى الأعلى لتوصيف وتوقع خصائص المواد. استخدمت هذه الدراسة محاكاة الديناميكا الجزيئية للتحقيق في تأثيرات وآليات التعزيز داخل نموذج مركب راتينج أسنان يدمج المونومرات، والمواد المالئة، وعوامل الربط. الهدف هو تقديم فهم نانوي للهياكل وأداء أنظمة راتينج الأسنان، مع التركيز بشكل خاص على تأثيرها على الخصائص البيوميكانيكية لراتنجات الأسنان. من خلال فحص التفاعلات على المستويات الذرية والجزيئية، تسعى هذه الدراسة إلى كشف التفاصيل المعقدة التي تحكم سلوك هذه المواد المركبة. يعد هذا النهج بتقديم رؤى قيمة في عالم مواد الأسنان الدقيقة، مما يمهد الطريق لتقدمات وابتكارات مستنيرة في طب الأسنان الترميمي.

تمثل المنهجية المستخدمة في هذا البحث نهجًا شاملاً ومنهجيًا للتحقيق في تحسين خصائص الالتصاق والخصائص الميكانيكية الحيوية (معامل يونغ، معامل القص، وقوة الانحناء) لمركبات الراتنجات السنية القائمة على الراتنج باستخدام الربط الجزيئي والمحاكاة المدفوعة بالديناميكا. توفر هذه القسم نظرة عامة مفصلة عن الخطوات الحرجة وأهميتها في تحقيق أهداف البحث.

كانت الخطوة الأولى في هذا البحث تتضمن اختيارًا دقيقًا لمركبات الراتنجات السنية لتشكيل أساس الدراسة. تم اختيار هذه المركبات بسبب تركيباتها المتنوعة وخصائصها المتاحة في السوق. تم اختيار عدة مركبات راتنجية سنية متاحة تجاريًا لضمان عينة تمثيلية تعكس التباينات في تركيبة المونومر، ومحتوى الحشوات، وديناميات البلمرة. المركبات الراتنجية السنية المختارة (المونومرات والحشوات) لهذه الدراسة موضحة في الجدول 1.
السبب وراء هذا الاختيار متجذر في الحاجة إلى التقاط طيف واسع من المواد المستخدمة في الممارسة السريرية. يتماشى هذا النهج مع الدراسات السابقة التي تؤكد على أهمية تركيبة المواد في تحديد الخصائص الميكانيكية واللاصقة لمركبات الأسنان [1]. من خلال دراسة مجموعة متنوعة من المواد، كان الهدف من هذه الدراسة هو تقديم رؤى يمكن أن تكون قابلة للتطبيق بشكل واسع على السيناريوهات السريرية.

استمر البحث في تحديد المواد المعدلة المرشحة التي يمكن أن تعزز من التصاق مركبات الراتنج السني وخصائصها البيوميكانيكية. شملت هذه المواد مجموعة من المواد، بما في ذلك معززات الالتصاق، وعوامل التعزيز، ومواد إضافية أخرى معروفة بتأثيرها المحتمل على خصائص المركبات (الجدول 2).
مراجعة شاملة للأدبيات الحالية والبيانات التجريبية حول مواد الأسنان وجهت اختيار هذه المضافات. درست الدراسات السابقة مضافات متنوعة، مثل السيلاين ومواد الربط، التي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الالتصاق. كان تحديد هذه المضافات أمرًا حيويًا، حيث شكلت الأساس للتجارب والمحاكاة اللاحقة.

تتناول هذه القسم الخطوات الأساسية في توليد نماذج جزيئية ثلاثية الأبعاد دقيقة.
الهياكل للعناصر الأساسية من المركبات المركبة القائمة على الراتنجات السنية، والتي تشمل المونومرات، والحشوات، وعوامل الربط. تشكل هذه النماذج الحاسوبية الأساس الذي نكتسب من خلاله فهماً شاملاً للتفاعلات الجزيئية المعقدة التي تحدد سلوك هذه المركبات. تم بدء هذه العملية من خلال الحصول على تمثيلات ثلاثية الأبعاد دقيقة للمكونات الأساسية للمركب. للحصول على هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد بتنسيق بيانات الهيكل (SDF)، تم الحصول على الجزيئات التي تتكون من المونومرات، والحشوات، وعوامل الربط من قاعدة بيانات PubChem.https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/). بعد ذلك، تم إخضاع كل ligand لعملية تقليل حاسمة باستخدام OpenBabel الإصدار 3.0.1. كانت هذه الخطوة ضرورية لضمان أن الهياكل الجزيئية كانت مستقرة طاقياً وت conformت لأفضل الترتيبات المكانية. باستخدام قاعدة بيانات PubChem وOpenBabel الإصدار 3.0.1، ضمنا أن نماذجنا الحاسوبية تمثل بدقة الهياكل الجزيئية الحقيقية للمكونات المركبة.
أ. المونومرات: تلعب المونومرات، وهي الكتل الأساسية لمصفوفة الراتنج، دورًا حيويًا في تحديد خصائص المركب. في هذه الخطوة، تم بناء الهياكل الجزيئية للمونومرات المختارة، بما في ذلك HEMA وBis-GMA وEBPADMA وTEGDMA وUDMA. شمل هذا العملية تحديد أطوال الروابط وزوايا الروابط وزوايا الثنائي لتكرار التكوين لهذه المونومرات في ثلاثة أبعاد بدقة.
ب. المواد المالئة: تؤثر المواد المالئة، بما في ذلك كربونات الكالسيوم وأكسيد السيريوم (IV) وجزيئات هيدروكسيباتيت وجزيئات السيليكا ونيتريد السيليكون، بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية للمركبات. تم إنشاء الهياكل ثلاثية الأبعاد لهذه المواد المالئة بدقة باستخدام ChemDraw Ultra 12.0 (PerkinElmer Inc.) [31] لالتقاط طبيعتها البلورية أو غير البلورية. كانت هذه الجهود ضرورية لفهم كيفية توزيع المواد المالئة داخل مصفوفة الراتنج وكيف ساهمت خصائصها السطحية في الالتصاق والأداء البيوميكانيكي.
ج. عوامل الربط: عززت عوامل الربط، مثل 3-MPTS وTRIS وICPTES وAEAPTMS وVTES، الالتصاق بين المكونات العضوية وغير العضوية. مكنت برامج ChemDraw Ultra وOpenBabel من بناء هياكل ثلاثية الأبعاد لهذه العوامل، مع التركيز على مجموعاتها الوظيفية الفريدة التي سهلت الربط مع المونومرات العضوية والمواد المالئة غير العضوية.

تم تنفيذ محاكاة ربط الجزيئات باستخدام النسخة المستقلة من HADDOCK. الـ HADDOCK

يوفر البرنامج منصة متعددة الاستخدامات لهذه المحاكاة، حيث يقدم خوارزميات قوية لاستكشاف أوضاع الربط والطاقة [32]. كان الهدف الرئيسي هو التنبؤ وتوضيح التفاعلات بين مكونات المركبات المركبة القائمة على الراتنج السني (المونومرات، الحشوات، وعوامل الربط). من المهم، في هذه الخطوة،
تم إجراء المحاكاة دون تضمين مستقبلات محددة، مما سمح باستكشاف أكثر شمولاً وانفتاحاً للتفاعلات الجزيئية. تم تحديد البقايا النشطة لكل ligand بدقة لتحديد مواقع التفاعل الحاسمة، في حين تمثل البقايا السلبية إضافية

تم تعريف العناصر المساهمة أيضًا. تم تضمين قيود التفاعل الغامضة (AIRs) لتوجيه عملية الالتحام، لا سيما عندما أشارت البيانات التجريبية إلى مواقع الربط التقريبية. قيود المسافة من تم استخدام تقنيات معينة لفرض علاقات هندسية محددة بين الذرات أو بقايا الجزيئين. تم تسهيل التثبيت المرن من خلال السماح بالتغيرات الشكلية في الجزيئات أثناء المحاكاة. بعد ذلك، تم إخضاع الحلول الناتجة عن التثبيت لتحليل التجمعات لتحديد المركبات التمثيلية والمستقرة. كان تقييم الطاقة أمرًا حاسمًا لتقييم ملاءمة الارتباط، مع الأخذ في الاعتبار الوظائف المختلفة للتقييم المتاحة في HADDOCK.

يوفر هذا القسم حسابًا مفصلًا لمحاكاة الديناميكا الجزيئية، وهي عنصر حاسم في منهجية البحث الهادفة إلى فهم سلوك الأسنان.
المواد المركبة القائمة على الراتنج مع مرور الوقت وتطور التفاعلات بين الجزيئات تحت ظروف ديناميكية. تعتبر محاكاة الديناميكا الجزيئية أدوات لا غنى عنها للتحقيق في السلوك الديناميكي لمركبات الراتنج السني على مدى فترات طويلة. ركزت محاكاة الديناميكا الجزيئية على الخصائص البيوميكانيكية لمجمعات المركب السني (معامل يونغ، معامل القص، وقوة الانحناء). كما تم حساب الروابط الهيدروجينية (ك stabilizers لتفاعلات معقدات الليغاند-ليغاند). تم استخدام وحدة Forcite مع مجال القوة COMPASS II في المحاكاة لتمثيل التفاعلات داخل الجزيئات وبين الجزيئات. هذه الوحدة ومجال القوة مثاليان لمحاكاة البوليمرات والمركبات غير العضوية. في المرحلة الأولية من محاكاة الديناميكا الجزيئية، تم تقليل طاقة جميع مجمعات المركب السني (نتيجة محاكاة التوصيل) مع تقارب القوة والطاقة. و ، على التوالي. بعد ذلك، خضع النظام لمحاكاة مسيطر عليها لـ
عدد الجسيمات، حجم النظام، ودرجة الحرارة (NVT) ensemble لمدة 50 نانوثانية، مع تعديل عدد الجسيمات، حجم النظام، ودرجة الحرارة. تلت ذلك محاكاة أخرى لمدة 50 نانوثانية في عدد الجسيمات، ضغط النظام، ودرجة الحرارة (NPT) ensemble، مع تنظيم عدد الجسيمات، ضغط النظام، ودرجة الحرارة عند 1.0 بار و298 كلفن. تم تسهيل التحكم في الضغط ودرجة الحرارة من خلال منظمات الحرارة Nose-Hoover ومنظمات الضغط Langevin وBerendsen، كل منها مع ثوابت تخميد تبلغ 0.1 و1.0 نانوثانية، على التوالي. بعد ذلك، خضع المركب السني لمزيد من التوازن في NVT ensemble عند 298 كلفن لمدة 50 نانوثانية. تم استخدام خوارزمية تكامل سرعة Verlet مع خطوة زمنية تبلغ 1.0 نانوثانية، وتم اختيار جودة حساب عالية لتعزيز دقة الحسابات. تم حساب تفاعلات فان der Waals والتفاعلات الكهروستاتيكية باستخدام طريقة شبكة الجسيمات Ewald. تم استخدام الهيكل الجزيئي المتوازن الناتج عن مركب الراتنج السني للتحليلات الهيكلية والميكانيكية اللاحقة.

تم استخدام محاكاة الربط الجزيئي للتحقيق في التفاعلات المحتملة بين المكونات الأساسية لمركبات الراتنج السنية: المونومرات، والحشوات، وعوامل الربط. كان الهدف الرئيسي من هذه المحاكاة هو تقييم طاقة الربط، وطاقة فان der Waals، والطاقة الكهروستاتيكية، وطاقة إزالة الحلول لمجموعات مختلفة من هذه المكونات. توفر هذه النتائج رؤى حاسمة حول استقرار وملاءمة هذه المجموعات، والتي تعتبر مركزية في تصميم وأداء المركبات السنية. تقدم الجدول 3 نتائج محاكاة الربط الجزيئي لمجموعات مختلفة من المونومرات والحشوات وعوامل الربط. تم الإبلاغ عن قيم طاقة الربط ومكونات الطاقة المختلفة بالكيلوكالوري لكل مول (kcal/mol) وتم تحديدها بدقة. لاحظنا اختلافات ملحوظة في طاقات الربط عبر مجموعات مختلفة، مما يدل على تفاعلات متنوعة بين المكونات الأساسية. على سبيل المثال، تظهر المجموعات التي تتضمن مونومرات محددة طاقات ربط أكثر ملاءمة من غيرها، مما يشير إلى إمكانياتها كمرشحين أفضل لمركبات الراتنج السنية.

تم تقييم المونومرات، بما في ذلك HEMA وBis-GMA وEBPADMA وTEGDMA وUDMA، لتفاعلاتها مع حشوات ومواد ربط مختلفة. كشفت طاقات الربط المحسوبة عن أنماط مميزة. أظهر HEMA تفاعلًا قويًا مع عبر مجموعة متنوعة من المواد المالئة، مع طاقة ربط ملحوظة من مول عند اقترانه مع TRIS، مما يشير إلى ملف لاصق ملائم. قد يُعزى هذا السلوك إلى مكون الطاقة الكهروستاتيكية، الذي يكون بشكل كبير
جذاب في وجود TRIS. بالنسبة لـ Bis-GMA، أشارت النتائج أيضًا إلى تفاعلات كبيرة مع TRIS. كانت أعلى طاقة ارتباط لوحظت لـ Bis-GMA هي ، أيضًا مع . كانت التفاعلات بين طاقات فان دير فالس والطاقة الكهروستاتيكية هي التي تحكم هذه التفاعلات. أظهر EBPADMA تفاعلات ملحوظة مع TRIS عند اقترانه بـ ، مما يؤدي إلى طاقة ربط قدرها . كانت مساهمة الطاقة الكهروستاتيكية كبيرة. وعلى العكس، أظهرت EBPADMA تقاربًا منخفضًا نسبيًا مع عوامل الربط الأخرى، مثل 3-MPTS و ICPTES، عبر مختلف المواد المالئة. قد يُعزى ضعف التفاعلات إلى التوازن بين طاقات فان der Waals والطاقة الكهروستاتيكية. كانت تفاعلات TEGDMA تتأثر باستمرار بـ TRIS، مع طاقات ربط تتراوح من -2.6 إلى . تيغدما، عند دمجها مع و TRIS، أظهرت طاقة ربط قدرها جانب ملحوظ من هذه التفاعلات هو دور الطاقة الكهروستاتيكية، التي تكون أكثر وضوحًا من طاقة فان دير فالس. يظهر UDMA عمومًا تآلفات ربط معتدلة عند التفاعل مع مختلف المواد المالئة وعوامل الربط. تم ملاحظة أقوى التفاعلات مع TRIS، مما يبرز طاقة ربط قدرها لـ UDMA مقترن بـ لقد لعبت كل من مكونات فان der Waals والإلكتروستاتيكية أدوارًا أساسية في هذه التفاعلات. يتم تصوير أفضل تركيبة من المونومر ومواد التعبئة ووكيل الربط لكل نوع من المونومرات مع أدنى طاقة ربط في الشكل 1a، حيث TEGDMA- -تريس كانت تمتلك أقل طاقة ارتباط ). من المثير للاهتمام، كعامل تعبئة وTRIS كعامل ربط أثر بشكل كبير على طاقات الربط عبر جميع المونومرات. معروف بمساحته السطحية الكبيرة ويمكن أن يوفر منطقة اتصال كبيرة لتفاعلات المونومر [35]. تُستخدم مادة TRIS، وهي ثلاثي (هيدروكسيميثيل) أمين الميثان، عادةً كعامل ربط في تركيبات المركبات البوليمرية نظرًا لمجموعاتها الوظيفية الهيدروكسيلية والأمينية، التي يمكن أن تشارك في تفاعلات متنوعة مع المونومرات [36، 37]. النتائج الإيجابية المستمرة لـ تشير نتائج TRIS عبر عدة مونومرات إلى تنوعها وفعاليتها في تعزيز التفاعلات القوية، مما يجعلها مكونات قيمة لتطوير المواد المركبة لمختلف التطبيقات السنية. تعتبر طاقات الربط المستخلصة من محاكاة الربط الجزيئي مؤشرات حاسمة لقوة الالتصاق لمركبات الراتنج السني. في سياق هذه الدراسة، تشير القيمة الأعلى لطاقة الربط السلبية إلى تفاعلات جزيئية أقوى، مما يبرز خصائص الالتصاق المتفوقة – كلما كانت طاقة الربط أكثر سلبية، كانت الروابط بين المكونات أكثر استقرارًا وملاءمة.

من حيث طاقة فان دير وولس، هناك ارتباط إيجابي قوي تؤكد على دورها المحوري في