DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-20989-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41062669
تاريخ النشر: 2025-10-08
المؤلف: Dina Ezzat وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبيولوجيا الفموية وبحوث التهاب اللثة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تحسين راتنجات المركبات السنية من خلال دمج جزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂-NPs) المُصنَّعة بطريقة صديقة للبيئة باستخدام مستخلص Vitis vinifera. تستخدم الدراسة بشكل فريد Vitis vinifera، الغني بالفلافونويدات والفينولات، كعامل مختزل ومثبت، وتدمج تحليل الربط الجزيئي لاستكشاف التفاعلات المضادة للميكروبات بين TiO₂-NPs وإنزيم الجلوكوزيل ترانسفيراز من Streptococcus mutans. تم صياغة المركبات بنسبة 10% و20% من TiO₂-NPs بالوزن، وتم تقييم خصائصها المضادة للميكروبات، والأداء الميكانيكي، والانكماش أثناء البلمرة مقارنة بالمركبات الضابطة التي تحتوي فقط على حشوات السيليكا المدخنة.
تظهر النتائج أن المركبات المعدلة تظهر نشاطًا مضادًا للميكروبات محسّنًا بشكل كبير ضد مسببات الأمراض الفموية الرئيسية، بالإضافة إلى تحسين الخصائص الميكانيكية مقارنة بمجموعة التحكم. تشير دراسات الربط الجزيئي إلى تفاعل قوي بين TiO₂-NPs وإنزيم الجلوكوزيل ترانسفيراز من S. mutans، مما يقترح آلية محتملة لمنع التصاق البكتيريا وتكوين الأغشية الحيوية. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على الدور الواعد لجزيئات TiO₂-NPs المُصنَّعة بطريقة صديقة للبيئة كحشوة نانوية جديدة في المركبات السنية، مع التأكيد على وظيفتها المزدوجة في تحسين أداء المواد واستهداف إنزيمات البكتيريا. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لتقييم هذه الفوائد في الجسم الحي وتقييم عوامل إضافية مثل النشاط الحيوي، واستقرار اللون، ومقاومة التآكل، والتوافق الخلوي في البيئات السريرية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم صياغة راتنج المركب التجريبي باستخدام مصفوفة راتنجية تتكون من أجزاء متساوية (50 وزناً) من ميثاكريلات جليكيديل بيسفينول أ (Bis-GMA) وميثاكريلات ثنائي الإيثيلين غليكول (TEGDMA). تم دمج المحفزات الضوئية كامفوركوينون (CQ) وميثاكريلات ديميثيل أمينو إيثيل (DMAEMA) بتركيزات 0.2 وزناً و0.8 وزناً، على التوالي. تم إعداد المركب من خلال خلط 28 وزناً من مصفوفة الراتنج مع 72 وزناً من الحشوات، وخاصة السيليكا المدخنة وجزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂-NPs)، التي تم معالجتها بـ 5 وزناً من ميثوكسي سيلان ثلاثي الميركابتوبروبيل (MPTMS) لتعزيز التوافق. تضمنت عملية الخلط التحريك الميكانيكي باستخدام خلاط سرعة متبوعًا بالموجات فوق الصوتية لضمان توزيع موحد للجزيئات النانوية.
تم تقييم جودة التشتت بصريًا وتأكيدها من خلال المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، الذي كشف عن ترتيب جيد التوزيع للجزيئات النانوية مع الحد الأدنى من التجميع. تم الحصول على المواد المستخدمة في الدراسة من موردين موثوقين، بما في ذلك سيغما ألدريتش وكيووا، مع تقديم تفاصيل محددة بشأن خصائصها وكثافتها. كانت هذه المقاربة المنهجية تهدف إلى تحسين أداء راتنج المركب لتطبيقات محتملة في المواد السنية.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة أن دمج جزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂-NPs) في راتنجات المركبات يعزز بشكل كبير نشاطها المضاد للميكروبات، والصلابة الدقيقة، وقوة الانحناء، ويقلل من انكماش البلمرة. على وجه التحديد، أظهر راتنج المركب الذي يحتوي على 20% من TiO₂-NPs (المجموعة III) أكبر مناطق تثبيط ضد Streptococcus mutans وStreptococcus sanguinis وLactobacillus acidophilus، مع مناطق تثبيط تبلغ حوالي 35 ± 1.58 مم، و22 ± 1.5 مم، و19.88 ± 2.13 مم، على التوالي. أكدت التحليلات الإحصائية وجود اختلافات كبيرة بين المجموعات (***p < 0.001، ****p < 0.0001)، مما يشير إلى علاقة تعتمد على الجرعة بين تركيز TiO₂-NPs وفعالية المضادات الحيوية. فيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية، أظهرت المجموعة III أيضًا أعلى رقم صلابة فيكرز (VHN) بمتوسط 97.23 (0.67) وأعلى قوة انحناء عند 106.97 ± 2.88 ميغاباسكال، مع ملاحظة اختلافات كبيرة بين المجموعة II والمجموعة III (p = 0.004). علاوة على ذلك، كان انكماش البلمرة أقل بكثير في المجموعات المعدلة مقارنة بمجموعة التحكم، حيث أظهرت المجموعة III أقل إجهاد انكماش (27.60 ± 1.14). بشكل عام، تشير هذه النتائج إلى أن إضافة TiO₂-NPs لا تحسن فقط الخصائص المضادة للبكتيريا لراتنجات المركبات ولكن أيضًا تعزز أدائها الميكانيكي مع تقليل الانكماش أثناء البلمرة.
المناقشة
تقدم الدراسة تخليق جزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂-NPs) باستخدام مستخلص Vitis vinifera، مع التأكيد على النهج الصديق للبيئة في تحسين المواد السنية. تضمنت عملية الاستخراج تجفيف الهواء لبذور العنب، وتجفيف الفراغ، والغلي للحصول على مستخلص مركز غني بالمركبات النشطة حيويًا، مما سهل التخليق الأخضر لـ TiO₂-NPs. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك GC-MS، وحيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، التكوين الناجح لجزيئات TiO₂-NPs من نوع الأناتاز الرباعي مع حجم بلوري متوسط يبلغ 12.7 نانومتر وجهد زتا يبلغ -20.14 مللي فولت، مما يشير إلى استقرار كولودي معتدل. لعبت المركبات الفينولية الموجودة في المستخلص دورًا حاسمًا في تقليل سوائل التيتانيوم وتثبيت الجزيئات النانوية.
تستكشف الدراسة أيضًا دمج TiO₂-NPs في تركيبات راتنج المركب، مما يظهر تحسينات كبيرة في الخصائص المضادة للميكروبات ضد مسببات الأمراض الفموية مثل *Streptococcus mutans* و*Lactobacillus acidophilus*. كشفت دراسات الربط الجزيئي أن TiO₂-NPs يمكن أن تثبط المجال الحفاز لإنزيم *S. mutans* الجلوكوزيل ترانسفيراز (GtfC)، وهو إنزيم رئيسي في تكوين الأغشية الحيوية، مما يقترح آلية تثبيط تنافسية. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام TiO₂-NPs المُصنَّعة بطريقة صديقة للبيئة لتعزيز الأداء الميكانيكي وفعالية المضادات الحيوية للمركبات السنية، مما يمهد الطريق لمواد سنية مبتكرة ومستدامة بيئيًا.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-20989-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41062669
Publication Date: 2025-10-08
Author(s): Dina Ezzat et al.
Primary Topic: Oral microbiology and periodontitis research
Overview
This research investigates the enhancement of dental composite resins through the incorporation of eco-friendly synthesized titanium dioxide nanoparticles (TiO₂-NPs) using Vitis vinifera extract. The study uniquely employs Vitis vinifera, which is rich in flavonoids and phenolics, as both a reducing and capping agent, and integrates molecular docking analysis to explore the antimicrobial interactions between TiO₂-NPs and Streptococcus mutans glucosyltransferase. The composites were formulated with 10% and 20% TiO₂-NPs by weight, and their antimicrobial properties, mechanical performance, and polymerization shrinkage were evaluated against control composites containing only fumed silica fillers.
The findings demonstrate that the modified composites exhibit significantly enhanced antimicrobial activity against key oral pathogens, as well as improved mechanical properties compared to the control group. Molecular docking studies indicate a strong interaction between TiO₂-NPs and S. mutans glucosyltransferase, suggesting a potential mechanism for inhibiting bacterial adhesion and biofilm formation. Overall, the study highlights the promising role of green-synthesized TiO₂-NPs as a novel nanofiller in dental composites, emphasizing their dual function in enhancing material performance and targeting bacterial enzymes. Future research is recommended to assess these benefits in vivo and to evaluate additional factors such as bioactivity, color stability, wear resistance, and cytocompatibility in clinical settings.
Methods
In this study, the experimental composite resin was formulated using a resin matrix composed of equal parts (50 wt%) of Bisphenol A glycidyl methacrylate (Bis-GMA) and triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA). Photoinitiators camphorquinone (CQ) and dimethylaminoethyl methacrylate (DMAEMA) were incorporated at concentrations of 0.2 wt% and 0.8 wt%, respectively. The composite was prepared by blending 28 wt% of the resin matrix with 72 wt% of fillers, specifically fumed silica and titanium dioxide nanoparticles (TiO₂-NPs), which were treated with 5 wt% of mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS) to enhance compatibility. The mixing process involved mechanical agitation using a Speed Mixer followed by ultrasonication to ensure uniform dispersion of the nanoparticles.
The quality of the dispersion was assessed visually and confirmed through scanning electron microscopy (SEM), which revealed a well-distributed nanoparticle arrangement with minimal aggregation. The materials used in the study were sourced from reputable suppliers, including Sigma Aldrich and Kyowa, with specific details regarding their properties and densities provided. This methodological approach aimed to optimize the composite resin’s performance for potential applications in dental materials.
Results
The results of the study demonstrate that the incorporation of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂-NPs) into composite resins significantly enhances their antimicrobial activity, microhardness, flexural strength, and reduces polymerization shrinkage. Specifically, the composite resin with 20% TiO₂-NPs (Group III) exhibited the largest inhibition zones against Streptococcus mutans, Streptococcus sanguinis, and Lactobacillus acidophilus, with inhibition zones of approximately 35 ± 1.58 mm, 22 ± 1.5 mm, and 19.88 ± 2.13 mm, respectively. Statistical analysis confirmed significant differences among the groups (***p < 0.001, ****p < 0.0001), indicating a dose-dependent relationship between TiO₂-NPs concentration and antibacterial efficacy. In terms of mechanical properties, Group III also showed the highest median Vickers hardness number (VHN) of 97.23 (0.67) and the greatest flexural strength at 106.97 ± 2.88 MPa, with significant differences noted between Group II and Group III (p = 0.004). Furthermore, polymerization shrinkage was significantly lower in the modified groups compared to the control, with Group III exhibiting the least shrinkage strain (27.60 ± 1.14). Overall, these findings suggest that the addition of TiO₂-NPs not only improves the antibacterial properties of composite resins but also enhances their mechanical performance while minimizing shrinkage during polymerization.
Discussion
The study presents the synthesis of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂-NPs) using Vitis vinifera extract, emphasizing the eco-friendly approach in dental material enhancement. The extraction process involved air-drying grape seeds, vacuum drying, and boiling to obtain a concentrated extract rich in bioactive compounds, which facilitated the green synthesis of TiO₂-NPs. Characterization techniques, including GC-MS, X-ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM), confirmed the successful formation of tetragonal anatase TiO₂-NPs with an average crystallite size of 12.7 nm and a zeta potential of -20.14 mV, indicating moderate colloidal stability. The presence of phenolic compounds in the extract played a crucial role in reducing titanium precursors and stabilizing the nanoparticles.
The study further explores the incorporation of TiO₂-NPs into composite resin formulations, demonstrating significant improvements in antimicrobial properties against oral pathogens such as *Streptococcus mutans* and *Lactobacillus acidophilus*. Molecular docking studies revealed that TiO₂-NPs could inhibit the catalytic domain of *S. mutans* glucosyltransferase (GtfC), a key enzyme in biofilm formation, suggesting a competitive inhibition mechanism. The findings underscore the potential of utilizing green-synthesized TiO₂-NPs to enhance the mechanical performance and antimicrobial efficacy of dental composites, paving the way for innovative and environmentally sustainable dental materials.