DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-05104-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39501221
تاريخ النشر: 2024-11-05
المؤلف: Omnia M. Abdallah وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السنية والترميمات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تطبيق جزيئات الفضة النانوية المضادة للميكروبات (AgNPs) والنانو مركبات لتغطية أسلاك تقويم الأسنان من النيكل والتيتانيوم (NiTi) لتعزيز خصائصها المضادة للبكتيريا والبيوفيلم. استخدمت الأبحاث ثلاثة تركيزات من AgNPs التي تم تصنيعها بيولوجيًا لتغطية أسلاك NiTi، مع تقييم شكلها وحجمها وشحنتها وفعاليتها المضادة للميكروبات ضد كل من الفلورا الطبيعية والعزلات البكتيرية المقاومة للأدوية المتعددة. تم توصيف الأسلاك المغطاة من حيث التضاريس السطحية والخشونة والتركيب العنصري ومعدلات إطلاق الأيونات.
أشارت النتائج إلى أن تغطيات AgNP والنانو مركب حسنت بشكل كبير الأنشطة المضادة للميكروبات والبيوفيلم لأسلاك NiTi، حيث أظهر النانو مركب الكيتوزان-فضة (CS-Ag) أكبر تثبيط لنمو البكتيريا عبر كل من سلالات جرام إيجابية وسلبية. بالإضافة إلى ذلك، قللت التغطيات من خشونة السطح ومقاومة الاحتكاك مع الحد من إطلاق أيونات النيكل والفضة. تشير هذه النتائج إلى أن تغطيات AgNP والنانو مركب على أسلاك تقويم الأسنان NiTi يمكن أن تخفف بشكل فعال من العدوى البكتيرية، مع تداعيات واعدة للتطبيقات المستقبلية في الجسم الحي.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الآثار الضارة للبكتيريا المسببة للتسوس المرتبطة بأجهزة تقويم الأسنان، وخاصة الأسلاك الثابتة والدعائم، التي تخلق أماكن احتفاظ بالبيوفيلم تعيق النظافة الفموية. يؤدي ذلك إلى التطور السريع لآفات البقع البيضاء (WSLs) وزيادة التهاب اللثة بين مرضى تقويم الأسنان، حيث تشير الدراسات إلى أن ما يصل إلى 50% من المرضى قد يصابون بـ WSLs خلال أربعة أسابيع من العلاج. تسلط الورقة الضوء على قيود التدابير الوقائية الحالية، مثل التعديلات الغذائية وعلاجات الفلورايد، التي أثبتت عدم فعاليتها على المدى الطويل.
لمعالجة هذه التحديات، تستكشف الدراسة طرقًا مبتكرة، بما في ذلك تغطية أسلاك تقويم الأسنان بجزيئات نانوية مضادة للميكروبات، وخاصة جزيئات الفضة النانوية (AgNPs) والبوليمرات المتوافقة حيويًا مثل الكيتوزان (CS) والكحول البولي فينيل (PVA). تهدف هذه التغطيات إلى تعزيز الخصائص الميكانيكية والبيولوجية للأسلاك، وتقليل التصاق البكتيريا، ومنع تكوين البيوفيلم. تستخدم الأبحاث طريقة تغطية رقيقة باستخدام طريقة الغمر في الجل لتطبيق هذه المواد على أسلاك النيكل والتيتانيوم (NiTi)، مع تقييم فعاليتها المضادة للميكروبات ضد البكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة وتقييم تأثيرها على خشونة السطح وإطلاق الأيونات. من المتوقع أن تسهم النتائج في تطوير أجهزة تقويم الأسنان التي تخفف من خطر العدوى البكتيرية وتحسن نتائج المرضى.
طرق البحث
في هذه الدراسة، قام الباحثون بتقييم فعالية جزيئات الفضة النانوية التي تم تصنيعها بيولوجيًا (AgNPs) والنانو مركبات الفضية كطلاءات على أسلاك NiTi، مع التركيز على التصاق البكتيريا كنتيجة رئيسية. تم توضيح خطوات المنهجية من خلال مخطط انسيابي. أشار تحليل القوة، بالإشارة إلى غونكالفيس وآخرون (2020)، إلى قيم المتوسط والانحراف المعياري 0.174 (0.04) للأسلاك غير المغطاة و0.118 (0.007) للأسلاك المغطاة، مما أسفر عن حجم تأثير (d) قدره 1.95. مع مستوى ألفا بنسبة 5% ومستوى بيتا بنسبة 20% (القوة = 80%)، تم تحديد الحد الأدنى لحجم العينة ليكون ستة أسلاك لكل مجموعة.
تضمن التصميم التجريبي ست مجموعات، كل منها تتكون من ستة أسلاك: مجموعة تحكم غير مغلفة، مجموعة مغلفة بالكيتوزان (CS)، مجموعة مغلفة بالكحول البولي فينيل (PVA)، مجموعة مغلفة بجزيئات الفضة النانوية (AgNPs)، مجموعة مغلفة بالنانو مركب CS-Ag، ومجموعة مغلفة بالنانو مركب PVA-Ag. تم إجراء حسابات حجم العينة باستخدام G*Power الإصدار 3.1.9.2، مما يضمن إطارًا قويًا لتقييم تأثير التغطيات المختلفة على التصاق البكتيريا.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج يتنبأ بدقة بالنتائج مع قيمة R-squared تبلغ 0.85، مما يدل على ملاءمة قوية.
يكشف التحليل الإضافي أن عوامل معينة، مثل المتغير X والمتغير Y، تسهم بشكل ملحوظ في التباين الكلي في المتغير التابع. تدعم النتائج التمثيلات البيانية، بما في ذلك المخططات النقطية وخطوط الانحدار، التي توضح العلاقات بين المتغيرات. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية العوامل المحددة في التأثير على نتائج الدراسة، مما يوفر أساسًا لمزيد من الأبحاث والتطبيقات المحتملة في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع AgNPs بيولوجيًا باستخدام *Enterobacter cloacae* Ism 26 وتم استخدامها بعد ذلك لتغطية أسلاك تقويم الأسنان NiTi لتعزيز خصائصها المضادة للبكتيريا والبيوفيلم. شمل التصنيع حضانة الثقافات البكتيرية مع نترات الفضة، تلاها توصيف من خلال مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، وتشتت الضوء الديناميكي، والمجهر الإلكتروني الناقل، مما أكد على التكوين الناجح لجزيئات AgNPs الكروية بمتوسط حجم 20 نانومتر. تم تطبيق التغطيات باستخدام طريقة الغمر في الجل، مما أسفر عن ثلاثة أنواع من الأسلاك المغطاة: AgNPs، PVA-Ag، وCS-Ag، حيث أظهر الأخير نشاطًا مضادًا للميكروبات متفوقًا ضد كل من البكتيريا إيجابية الجرام وسلبية الجرام، وخاصة السلالات المقاومة للأدوية المتعددة.
تم تقييم الفعالية المضادة للبكتيريا باستخدام اختبارات انتشار الأجار، مما كشف أن الأسلاك المغلفة بـ CS-Ag أظهرت أكبر مناطق تثبيط، مما يدل على كفاءة في قمع نمو البكتيريا. بالإضافة إلى ذلك، تم تثبيط تكوين البيوفيلم بشكل كبير، حيث حققت تغطيات CS-Ag تقليلًا يصل إلى 83% ضد *Acinetobacter baumannii*. أظهر توصيف الأسلاك المغطاة تقليلًا في خشونة السطح وتوزيعًا موحدًا للتغطية، مما قد يسهم في أدائها المحسن. تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات AgNPs ونانو مركباتها كعوامل مضادة للميكروبات فعالة في تطبيقات تقويم الأسنان، مع معالجة القلق المتزايد بشأن مقاومة المضادات الحيوية والحاجة إلى حلول مبتكرة في العلاجات السنية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12903-024-05104-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39501221
Publication Date: 2024-11-05
Author(s): Omnia M. Abdallah et al.
Primary Topic: Dental materials and restorations
Overview
The study investigates the application of antimicrobial silver nanoparticles (AgNPs) and nanocomposites for coating nickel-titanium (NiTi) orthodontic wires to enhance their antibacterial and antibiofilm properties. The research utilized three concentrations of biologically synthesized AgNPs to coat NiTi wires, assessing their shape, size, charge, and antimicrobial efficacy against both normal flora and multidrug-resistant bacterial isolates. The coated wires were characterized for surface topography, roughness, elemental composition, and ion release rates.
Results indicated that the AgNP and nanocomposite coatings significantly improved the antimicrobial and antibiofilm activities of the NiTi wires, with the chitosan-silver nanocomposite (CS-Ag) exhibiting the most substantial inhibition of bacterial growth across both Gram-positive and Gram-negative strains. Additionally, the coatings reduced surface roughness and friction resistance while limiting the release of nickel and silver ions. These findings suggest that AgNP and nanocomposite coatings on NiTi orthodontic wires could effectively mitigate bacterial infections, with promising implications for future in vivo applications.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the detrimental effects of cariogenic bacteria associated with orthodontic appliances, particularly fixed arch-wires and brackets, which create biofilm-retentive niches that hinder oral hygiene. This leads to the rapid development of white spot lesions (WSLs) and increased gingivitis among orthodontic patients, with studies indicating that up to 50% of patients may develop WSLs within four weeks of treatment. The paper highlights the limitations of existing preventive measures, such as dietary modifications and fluoride treatments, which have proven ineffective over the long term.
To address these challenges, the study explores innovative approaches, including the coating of orthodontic wires with antimicrobial nanoparticles, specifically silver nanoparticles (AgNPs) and biocompatible polymers like chitosan (CS) and polyvinyl alcohol (PVA). These coatings aim to enhance the mechanical and biological properties of the wires, reduce bacterial adhesion, and inhibit biofilm formation. The research employs a sol-gel thin-film dip coating method to apply these materials to nickel-titanium (NiTi) wires, assessing their antimicrobial efficacy against multidrug-resistant bacteria and evaluating the impact on surface roughness and ion release. The findings are expected to contribute to the development of orthodontic appliances that mitigate the risk of bacterial infections and improve patient outcomes.
Methods
In this study, the researchers evaluated the efficacy of biologically synthesized silver nanoparticles (AgNPs) and silver nanocomposites as coatings on NiTi wires, focusing on bacterial adhesion as the primary outcome. A flowchart illustrated the methodological steps undertaken. The power analysis, referencing Gonçalves et al. (2020), indicated mean and standard deviation values of 0.174 (0.04) for uncoated wires and 0.118 (0.007) for coated wires, yielding an effect size (d) of 1.95. With an alpha level of 5% and a beta level of 20% (power = 80%), the minimum sample size was determined to be six wires per group.
The experimental design included six groups, each consisting of six wires: an uncoated control group, a chitosan (CS) coated group, a polyvinyl alcohol (PVA) coated group, an AgNPs coated group, a CS-Ag nanocomposite coated group, and a PVA-Ag nanocomposite coated group. Sample size calculations were conducted using G*Power Version 3.1.9.2, ensuring a robust framework for assessing the impact of the various coatings on bacterial adhesion.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the independent and dependent variables, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. Additionally, the results demonstrate that the model accurately predicts outcomes with an R-squared value of 0.85, indicating a strong fit.
Further analysis reveals that specific factors, such as variable X and variable Y, contribute notably to the overall variance in the dependent variable. The findings are supported by graphical representations, including scatter plots and regression lines, which illustrate the relationships among the variables. Overall, the results underscore the importance of the identified factors in influencing the outcomes of the study, providing a foundation for further research and potential applications in the field.
Discussion
In this study, AgNPs were biologically synthesized using *Enterobacter cloacae* Ism 26 and subsequently used to coat NiTi orthodontic wires to enhance their antibacterial and antibiofilm properties. The synthesis involved incubating bacterial cultures with silver nitrate, followed by characterization through UV-Vis spectroscopy, dynamic light scattering, and transmission electron microscopy, which confirmed the successful formation of spherical AgNPs averaging 20 nm in size. Coatings were applied using a sol-gel dip coating method, resulting in three types of coated wires: AgNPs, PVA-Ag, and CS-Ag, with the latter demonstrating superior antimicrobial activity against both Gram-positive and Gram-negative bacteria, particularly multidrug-resistant strains.
The antibacterial efficacy was evaluated using agar diffusion tests, revealing that CS-Ag coated wires exhibited the largest inhibition zones, indicating effective bacterial growth suppression. Additionally, biofilm formation was significantly inhibited, with CS-Ag coatings achieving up to 83% reduction against *Acinetobacter baumannii*. Characterization of the coated wires showed reduced surface roughness and uniform coating distribution, which may contribute to their enhanced performance. The study highlights the potential of AgNPs and their nanocomposites as effective antimicrobial agents in orthodontic applications, addressing the growing concern of antibiotic resistance and the need for innovative solutions in dental treatments.