Hydroxyapatite based mouthrinses against oral biofilm formation in situ

Abstract

Introduction: Nowadays, various artificial dental materials are applied for oral rehabilitation with high rates of success. However, there is still the risk of bacterial colonization, which can affect their clinical performance and lead to failures. Recent reports have shown that hydroxyapatite particles (HAP) may have preventive properties against bacterial adhesion. Objectives: This in situ study aims to investigate the effect of different sizes and shapes of HAP on the acquired pellicle and on the biofilm formed on enamel, titanium (Ti), ceramic, and polymethyl methacrylate (PMMA). Material and Methods: This study was performed according to three different protocols. In all of them, the volunteers carried an upper jaw splint with attached samples. Three minutes after the splint placement, the volunteers rinsed with 10 ml of the selected solution for 30 seconds. The tested solutions included three 5% HAP watery solutions, as well as chlorhexidine (CHX) and water, as controls. The HAP solutions were prepared from three powders containing nanoparticles with different shapes and medium sizes: HAP I (needle, 40 nm), HAP II (needle, 100 nm), HAP III (spherical, 200 nm). In Protocol 1, two volunteers used the selected rinsing solution after 3 min of pellicle formation. Scanning Electron Microscopy (SEM) was used to evaluate the samples immediately after rinsing, 30 min and 2 h after rinsing to assess the capacity of HAP particles to adhere to the pellicle formed on enamel, Ti, ceramic, and PMMA. Protocol 1 also evaluated the influence of the size and shape of the different HAP particles on their adhesion to the pellicle’ surface. In Protocol 2, the splints remained in the oral cavity for 24 h after pellicle formation and the five volunteers made the rinsing at two different time points. The first rinsing was performed after 3 min of pellicle formation and a second rinsing after a 12 h interval. Protocol 2 evaluated the effects of three different HAP solutions on the biofilm formed on the applied materials. Protocol 3 evaluated the effects of HAP II on the biofilm adhesion on polished and non-polished titanium discs. The objective was to access the influence of Ti surface topography. The five volunteers rinsed at 4-time points on a 48-h interval. The first rinsing was performed after 3 min of pellicle formation, and three followings rinsing were made each 12 h. The biofilm coverage and viability in protocols 2 and 3 were assessed by SEM, Fluorescence Microscope (FM) and Transmission Electron Microscope (TEM). Results: In Protocol 1, descriptive results showed that HAP might interact with the salivary proteins from acquired pellicle despite the particles’ size or shape or the material applied. Protocols 2 and 3 presented similar results: the three HAP solutions did not alter the bacterial viability, but successfully reduced the biofilm adhered to all surfaces tested on protocol 2 and on polished titanium surfaces from protocol 3. The HAP size and shape had no significant influence on its anti-adhesive effects on enamel, titanium, ceramics, or PMMA. Additionally, protocol 3 indicated that the Ti surface topography influences biofilm adhesion and accumulation. SEM figures also suggest that HAP may interact with the oral bacteria from the biofilm. Conclusions: The anti-adhesive effect of the bioinspired HAP solutions yielded a significant impact on the in situ oral biofilm formation on polished enamel, titanium, ceramics, and PMMA surfaces, representing a promising adjunct solution for biofilm management.

Effect von Hydroxylapatit basierten Mundspülungen auf die orale Biofilmbildung in situ

Einleitung: Heutzutage werden verschiedene künstliche Zahnmaterialien mit hohen Erfolgsraten für orale Rehabilitationsbehandlungen eingesetzt. Es besteht jedoch weiterhin das Risiko einer Besiedlung mit Bakterien, die deren klinische Erfolg beeinträchtigen und zum Versagen führen können. Jüngste Berichte haben gezeigt, dass Hydroxylapatit-Partikel (HAP) präventive Eigenschaften gegen die Anhaftung von Bakterien haben können. Zielsetzung: Ziel dieser in situ-Studie ist es, die Auswirkung unterschiedlicher Größen und Formen von HAP auf die erworbene Pellikel und den auf Zahnschmelz, Titan (Ti), Keramik und Polymethylmethacrylat (PMMA) gebildeten Biofilm zu untersuchen. Material und Methoden: In dieser Studie wurden drei verschiedene Protokolle durchgeführt. Bei allen versuchen trugen die Probanden eine mit Proben bestückte Oberkieferschiene. Drei Minuten nach der Platzierung der Schiene spülten die Probanden 30 Sekunden lang mit 10 ml der ausgewählten Lösung. Die getesteten Lösungen waren drei wässrige, 5%ige HAP-Lösungen sowie Chlorhexidin (CHX) und Wasser als Kontrollen. Die drei HAP-Lösungen wurden aus unterschiedlichen Pulvern hergestellt, welche Nanopartikel mit unterschiedlichen Formen und mittleren Größen enthielten: HAP I (nadelförmig, 40 nm), HAP II (nadelförmig, 100 nm), HAP III (sphärisch, 200 nm). Gemäß Protokoll 1 verwendeten zwei Probanden die ausgewählte Spüllösung nach 3 Minuten Pellikelbildung. Die Analyse der Proben erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) unmittelbar nach dem Spülen sowie 30 Minuten und 2 Stunden nach dem Spülen, um die Fähigkeit von HAP-Partikeln an die auf Zahnschmelz, Ti, Keramik und PMMA gebildete Pellikel anzuhaften. Protokoll 1 bewertete auch den Einfluss der Größe und Form der HAP-partikel auf das Adhärenzverhalten au des Pellikeloberfläche. Gemäß Protokoll 2 blieben die Oberkieferschienen nach der Pellikelbildung für 24 Stunden in der Mundhöhle, und die 5 Probanden führten die Spülungen zu zwei verschiedenen Zeitpunkten durch. Die erste Spülung erfolgte nach 3 Minuten Pellikelbildung und eine zweite Spülung nach 12 Stunden. Protokoll 2 bewertete die Auswirkungen dreier verschiedener HAP-Lösungen auf dem Biofilm, der auf den untersuchten Materialien innerhalb von 24 h gebildet wurde. Protokoll 3 bewertete die Auswirkungen von HAP II auf die Biofilmhaftung an polierten und nicht polierten Titanscheiben. Ziel war es, den Einfluss der Ti-Oberflächentopographie zu erfassen. Die 5 Probanden spülten zu vier Zeitpunkten im Zeitraum von 48 Stunden. Die erste Spülung wurde erfolgter 3 Minuten nach der Pellikelbildung durchgeführt und die drei nachfolgenden Spülungen wurden alle 12 Stunden. In den Protokollen 2 und 3 wurde die Biofilmbedeckung und Vitalität mittels REM, Fluoreszenzmikroskopie (FM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) analysiert. Ergebnisse: Die Ergebnisse aus Protokoll 1 zeigen, dass HAP unabhängig von der Größe oder Form der Partikel mit den Speichelproteinen der Pellikel interagieren kann. Protokoll 2 und 3 zeigen ähnliche Ergebnisse: Die drei HAP-Lösungen änderten die Vitalität der Bakterien nicht, reduzierten jedoch erfolgreich den Biofilm, der auf allen nach Protokoll 2 getesteten Oberflächen und auch auf den polierten Titanoberflächen nach Protokoll 3 haftete. Die Größe und Form des HAP Partikel hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Antihaftwirkung auf Zahnschmelz, Titan, Keramik oder PMMA. Zusätzlich zeigt Protokoll 3, dass die Ti-Oberflächentopographie die Biofilmadhäsion und -akkumulation beeinflusst. Die REM-Analysen zeigen außerdem, dass HAP mit den Bakterien des Biofilms interagieren kann. Schlussfolgerungen: Die antiadhäsive Wirkung der bioinspirierten HAP-Lösungen hat einen signifikanten Einfluss auf die in situ Biofilmbildung auf polierten Zahnschmelz-, Titan-, Keramik- und PMMA- Oberflächen. Dies stellt einen vielversprechenden neuen Ausatz für das bioinspirierte Biofilm-Management.