DOI: https://doi.org/10.1007/s10266-025-01058-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39961895
تاريخ النشر: 2025-02-17
المؤلف: Dina Ezzat وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تخليق وتطبيق مستخلص بذور الجريب فروت الذي يتم بوساطة جزيئات نانوية من ثاني أكسيد التيتانيوم (GSE-TiO₂NPs) في راتنجات المركبات السنية لمعالجة قضايا مثل التسوس الثانوي، والانكماش الناتج عن البوليمرة، وفشل الكسر. تم استخدام GSE للتخليق الأخضر لجزيئات TiO₂ النانوية، والتي تم توصيفها باستخدام كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، والميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM). تم صياغة المركبات التجريبية مع GSE-TiO₂NPs بتركيزات 10 wt.% و 20 wt. %، إلى جانب مجموعة تحكم غير معدلة.
أشارت النتائج إلى أن المركبات المعدلة أظهرت نشاطًا مضادًا للبكتيريا معززًا بشكل ملحوظ ضد *Streptococcus mutans* (p < 0.001) وتحسنت الخصائص الميكانيكية، بما في ذلك قوة الانحناء (FS) ومعامل الانحناء (FM)، خاصة في مجموعة 10 wt.% GSE-TiO₂NPs (p < 0.05). جميع التركيبات توافقت مع عتبة الصلابة الدقيقة المقبولة سريريًا (p = 0.588)، بينما تم تقليل الانكماش الناتج عن البوليمرة بشكل ملحوظ في المجموعات المعدلة، حيث أظهرت مجموعة 20 wt.% GSE-TiO₂NPs أقل قيمة انكماش (13.06 ± 0.92%، p < 0.01). تشير هذه النتائج إلى أن دمج GSE-TiO₂NPs في المركبات السنية لا يعزز فقط الخصائص المضادة للبكتيريا ولكن أيضًا يحسن الأداء الميكانيكي ويقلل من الانكماش الناتج عن البوليمرة، مما يقدم استراتيجية واعدة لتطوير مواد سنية متقدمة تحتوي على مكونات حيوية طبيعية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات المستمرة في مواد الترميم السنية، وخاصة راتنجات المركبات السنية، التي، على الرغم من مزاياها الجمالية والوظيفية، عرضة لمشكلات مثل التسوس الثانوي، والانكماش الناتج عن البوليمرة، وفشل الكسر. التسوس الثانوي مسؤول بشكل ملحوظ عن 60% من فشل الترميم، مما يؤدي إلى استبدالات متكررة تؤثر على سلامة الأسنان وتفرض أعباء مالية على أنظمة الرعاية الصحية. استجابةً لهذه التحديات، ظهرت المنتجات الطبيعية ذات الخصائص المضادة للبكتيريا وتقدمات في تكنولوجيا النانو كحلول واعدة.
تُعتبر جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂NPs) ملحوظة بشكل خاص من حيث توافقها الحيوي وتأثيراتها المضادة للبكتيريا، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات السنية. بالإضافة إلى ذلك، يُعترف بمستخلص بذور الجريب فروت (GSE) لفوائده الصحية، بما في ذلك فعاليته ضد التسوس واللويحات السنية. تقترح الدراسة نهجًا جديدًا من خلال تخليق GSE-TiO₂NPs ودمجها في راتنجات المركبات لتعزيز كل من الفعالية المضادة للبكتيريا والخصائص الميكانيكية. تهدف الأبحاث إلى معالجة الفجوة في الأدبيات الحالية بشأن الاستخدام المشترك لـ GSE وTiO₂NPs في المركبات السنية، مع فرضية العدم التي تفترض أن هذه التعديلات لن تؤثر بشكل كبير على التأثيرات المضادة للبكتيريا أو الخصائص الميكانيكية مقارنةً بمجموعات التحكم.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تطوير راتنج مركب باستخدام ميثاكريلات جليكيديل بيسفينول أ (Bis-GMA) وميثاكريلات ثنائي إيثيلين غليكول (TEGDMA) كقالب راتنج، مع دمج مجموعة متنوعة من الحشوات، بما في ذلك السيليكا المدخنة وجزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية التي تم تخليقها بشكل أخضر (GSE-TiO₂ NPs). تم إعداد قالب الراتنج عن طريق خلط أوزان متساوية من Bis-GMA وTEGDMA، مع كامفوركوينون و2-(N,N-dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) كمواد محفزة للضوء. تم صياغة المركبات التجريبية بنسب مختلفة من GSE-TiO₂ NPs (10 wt.% و20 wt.%) وتم توصيفها باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات.
شملت طرق التوصيف كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS) لتحديد المكونات الحيوية النشطة في مستخلص بذور الجريب فروت (GSE)، ومطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-Vis) لتأكيد تخليق GSE-TiO₂ NPs، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) لتحليل مجموعات الوظائف. تم إجراء تقييمات شكلية باستخدام الميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) والميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM)، بينما تم استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) لتحليل التركيب البلوري للجزيئات النانوية التي تم تخليقها. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام التحليل الحراري الوزني (TGA) لتقييم الاستقرار الحراري للمواد. كانت الدراسة تهدف إلى تقييم الخصائص والأداء للراتنج المركب التجريبي مقارنةً بمجموعة تحكم تحتوي فقط على حشوات السيليكا المدخنة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، موضحًا نتائج التجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على اتجاهات محددة لوحظت في البيانات، مثل زيادة المتغير $X$ المقابلة لزيادة متناسبة في المتغير $Y$، مما يدعم الفرضية الأولية.
علاوة على ذلك، تشمل النتائج تمثيلات بيانية توضح العلاقات بين المتغيرات، مما يعزز قابلية تفسير النتائج. تناقش التحليلات أيضًا الآثار المحتملة لهذه النتائج في السياق الأوسع للمجال، مقترحةً طرقًا للبحث المستقبلي بناءً على الأنماط الملاحظة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات الظواهر المدروسة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التخليق الأخضر الناجح لجزيئات نانوية من مستخلص بذور الجريب فروت-ثاني أكسيد التيتانيوم (GSE-TiO₂NPs) وتوصيفها، إلى جانب خصائصها السمية الخلوية والمضادة للبكتيريا. أنشأت الدراسة حدًا أدنى لحجم العينة يبلغ 120 عينة لمختلف الاختبارات، بما في ذلك قوة الانحناء، والصلابة الدقيقة، والنشاط المضاد للميكروبات، مع تحديد حجم العينة باستخدام برنامج G Power. تم استخراج مستخلص بذور الجريب فروت باستخدام تقنية النقع، وكان GSE الناتج غنيًا بالمركبات الحيوية النشطة، كما أكد تحليل GC-MS، الذي حدد عدة أحماض دهنية، وتربينات، وكحوليات، مما يشير إلى تطبيقات محتملة في المجالات الطبية الحيوية.
أشارت النتائج إلى أن GSE-TiO₂NPs أظهرت سمية خلوية أقل بشكل ملحوظ مقارنةً بـ GSE وحده، مع قيم IC₅₀ تبلغ 332.615 ميكروغرام/مل و502.598 ميكروغرام/مل، على التوالي. تعتبر هذه الانخفاضات في السمية حاسمة للتطبيقات الطبية الحيوية المحتملة. أظهرت اختبارات المضادات الحيوية أن GSE-TiO₂NPs كانت لها نشاط مضاد للبكتيريا أعلى من GSE أو TiO₂NPs بمفردهما، مع متوسط منطقة تثبيط يبلغ 32.6 ± 5.81 مم للشكل الحر و25.60 ± 1.14 مم عند دمجه في راتنج المركب. خلصت الدراسة إلى أن الفعالية المضادة للميكروبات المعززة لـ GSE-TiO₂NPs يمكن أن تُعزى إلى التأثيرات التآزرية للمركبات الحيوية النشطة في GSE وخصائص التحفيز الضوئي لـ TiO₂NPs، مما يحسن معًا من إمكانية استخدام المادة في التطبيقات السنية مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية المقبولة.
القيود
تسلط القيود في الدراسة الضوء على أنه على الرغم من أن النتائج المختبرية لمركبات GSE-TiO₂NPs المحسنة مشجعة، إلا أنها قد لا تعكس بدقة تعقيدات البيئة الفموية. يمكن أن تؤثر عوامل رئيسية مثل تركيبة اللعاب، والنشاط الإنزيمي، وتغيرات درجة الحرارة، والضغوط الميكانيكية بشكل كبير على أداء هذه المركبات في الجسم الحي. وبالتالي، فإن المزيد من الأبحاث ضرورية لتقييم المتانة على المدى الطويل، والتوافق الحيوي، والفعالية السريرية لهذه المواد تحت ظروف تحاكي بشكل أقرب تجويف الفم.
يجب أن تركز التحقيقات المستقبلية أيضًا على تأثيرات GSE-TiO₂NPs على استقرار اللون والخصائص الجمالية لراتنجات المركبات، بالإضافة إلى تفاعلاتها مع مواد الترميم الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، قد يساعد استكشاف تركيزات مختلفة وتركيبات من الجزيئات النانوية في تحسين التوازن بين الفعالية المضادة للبكتيريا والأداء الميكانيكي، مما يعزز الفعالية العامة لهذه المركبات في التطبيقات السنية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10266-025-01058-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39961895
Publication Date: 2025-02-17
Author(s): Dina Ezzat et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
This study investigates the synthesis and application of grapefruit seed extract-mediated titanium dioxide nanoparticles (GSE-TiO₂NPs) in dental composite resins to address issues such as secondary caries, polymerization shrinkage, and fracture failure. The GSE was utilized for the green synthesis of TiO₂ nanoparticles, which were characterized using gas chromatography-mass spectrometry, scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM). The experimental composites were formulated with GSE-TiO₂NPs at concentrations of 10 wt.% and 20 wt.%, alongside an unmodified control group.
The results indicated that the modified composites exhibited significantly enhanced antibacterial activity against *Streptococcus mutans* (p < 0.001) and improved mechanical properties, including flexural strength (FS) and flexural modulus (FM), particularly in the 10 wt.% GSE-TiO₂NPs group (p < 0.05). All formulations met the clinically acceptable microhardness threshold (p = 0.588), while polymerization shrinkage was notably reduced in the modified groups, with the 20 wt.% GSE-TiO₂NPs group showing the lowest shrinkage value (13.06 ± 0.92%, p < 0.01). These findings suggest that incorporating GSE-TiO₂NPs into dental composites not only enhances antibacterial properties but also improves mechanical performance and minimizes polymerization shrinkage, presenting a promising strategy for the development of advanced dental materials with natural bioactive components.
Introduction
The introduction highlights the ongoing challenges in dental restorative materials, particularly dental composite resins, which, despite their aesthetic and functional advantages, are prone to issues such as secondary caries, polymerization shrinkage, and fracture failures. Secondary caries are notably responsible for 60% of restoration failures, leading to repeated replacements that compromise tooth integrity and impose financial burdens on healthcare systems. In response to these challenges, natural products with antibacterial properties and advancements in nanotechnology have emerged as promising solutions.
Titanium dioxide nanoparticles (TiO₂NPs) are particularly noted for their biocompatibility and antibacterial effects, making them suitable for dental applications. Additionally, grapefruit seed extract (GSE) is recognized for its health benefits, including its efficacy against dental caries and plaque. The study proposes a novel approach by synthesizing GSE-mediated TiO₂NPs and incorporating them into composite resins to enhance both antibacterial efficacy and mechanical properties. The research aims to address the gap in existing literature regarding the combined use of GSE and TiO₂NPs in dental composites, with the null hypothesis positing that these modifications will not significantly impact antibacterial effects or mechanical properties compared to control groups.
Methods
In this study, a composite resin was developed using Bisphenol A glycidyl methacrylate (Bis-GMA) and Triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) as the resin matrix, combined with various fillers, including fumed silica and green synthesized titanium dioxide nanoparticles (GSE-TiO₂ NPs). The resin matrix was prepared by mixing equal weights of Bis-GMA and TEGDMA, with camphorquinone and 2-(N,N-dimethylamino)ethyl methacrylate (DMAEMA) serving as photoinitiators. The experimental composites were formulated with different proportions of GSE-TiO₂ NPs (10 wt.% and 20 wt.%) and characterized using a variety of techniques.
Characterization methods included gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) for identifying bioactive components in grapefruit seed extract (GSE), ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) for confirming the synthesis of GSE-TiO₂ NPs, and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) for functional group analysis. Morphological assessments were conducted using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), while X-ray diffraction (XRD) was employed to analyze the crystal structure of the synthesized nanoparticles. Additionally, thermogravimetric analysis (TGA) was utilized to evaluate the thermal stability of the materials. The study aimed to assess the properties and performance of the experimental composite resin in comparison to a control group containing only fumed silica fillers.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, detailing the outcomes of the experiments conducted. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the study highlights specific trends observed in the data, such as an increase in variable $X$ corresponding to a proportional increase in variable $Y$, which supports the initial hypothesis.
Furthermore, the results include graphical representations that illustrate the relationships among the variables, enhancing the interpretability of the findings. The analysis also discusses potential implications of these results in the broader context of the field, suggesting avenues for future research based on the observed patterns. Overall, the findings contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the successful green synthesis of grapefruit seed extract-titanium dioxide nanoparticles (GSE-TiO₂NPs) and their characterization, alongside their cytotoxic and antibacterial properties. The study established a minimum sample size of 120 specimens for various tests, including flexural strength, microhardness, and antimicrobial activity, with the sample size determined using G Power software. The extraction of grapefruit seed extract was performed using a maceration technique, and the resulting GSE was rich in bioactive compounds, as confirmed by GC-MS analysis, which identified several fatty acids, terpenoids, and alcohols, suggesting potential applications in biomedical fields.
The findings indicated that GSE-TiO₂NPs exhibited significantly lower cytotoxicity compared to GSE alone, with IC₅₀ values of 332.615 μg/mL and 502.598 μg/mL, respectively. This reduction in toxicity is crucial for potential biomedical applications. Antibacterial assays demonstrated that GSE-TiO₂NPs had a higher antibacterial activity than either GSE or TiO₂NPs alone, with a mean inhibition zone of 32.6 ± 5.81 mm for the free form and 25.60 ± 1.14 mm when incorporated into composite resin. The study concluded that the enhanced antimicrobial efficacy of GSE-TiO₂NPs could be attributed to the synergistic effects of the bioactive compounds in GSE and the photocatalytic properties of TiO₂NPs, which together improve the material’s potential for use in dental applications while maintaining acceptable mechanical properties.
Limitations
The limitations of the study highlight that while the in vitro results for GSE-TiO₂NPs-enhanced composites are encouraging, they may not accurately reflect the complexities of the oral environment. Key factors such as saliva composition, enzymatic activity, temperature variations, and mechanical stresses could significantly impact the performance of these composites in vivo. Consequently, further research is essential to assess the long-term durability, biocompatibility, and clinical efficacy of these materials under conditions that more closely mimic the oral cavity.
Future investigations should also focus on the effects of GSE-TiO₂NPs on the color stability and aesthetic properties of composite resins, as well as their interactions with other restorative materials. Additionally, exploring various concentrations and combinations of nanoparticles may help to optimize the balance between antibacterial efficacy and mechanical performance, thereby enhancing the overall effectiveness of these composites in dental applications.