Preparación de geles con capacidad remineralizante y antimicrobiana en base a nanopartículas de vidrio bioactivo y cobre y la evaluación de su bioactividad en tejidos dentales desmineralizados

Abstract

La caries limitada al esmalte y la hipersensibilidad dentinaria son dos situaciones altamente frecuentes en odontología y dado que no existe un tratamiento ideal para abordarlas, su terapéutica continúa siendo estudiada. Materiales con elementos remineralizantes como flúor (F), hidroxiapatita (HAp), fosfato de calcio amorfo (ACP), o vidrios bioactivos (BG), se han utilizado para este fin. Con respecto a este último, algunos estudios in vitro sugieren que el BG sería más efectivo que el uso de flúor, actual gold estándar para su tratamiento. La principal propiedad del BG es que al estar en contacto con la saliva forma hidroxiapatita, equivalente a la que se encuentra en la estructura del esmalte. La nanotecnología, ciencia que implica el control de la materia a escala nanométrica, ha permitido mejorar las propiedades de los materiales, incluyendo las del BG, ya que nanopartículas de BG han resultado más efectivas que partículas micrométricas del mismo material. No obstante, actualmente no existe algún producto de aplicación clínica con el uso de nano-BG. Por otro lado, otra estrategia para disminuir la desmineralización dental es el uso de agentes antimicrobianos que eviten la proliferación de las bacterias cariogénicas. En este contexto, las nanopartículas de cobre (Cu) han demostrado capacidad para disminuir la formación del biofilm y con ello la producción de ácidos. De este modo, la combinación de nanopartículas de BG y Cu podrían generar un producto bifuncional, con capacidad de remineralización (efecto terapéutico) y a la vez con propiedades antimicrobianas que reducirían la acumulación de biofilm previniendo la formación de lesiones cariosas. Metodología: Se estudió la preparación de geles basados en BG con diferentes contenidos de nanopartículas de BG y Cu utilizando el método sol-gel. Las propiedades remineralizantes de los geles se evaluaron utilizado lesiones artificiales de caries incipientes (LACIs) creadas in vitro en dientes humanos, así como en discos de dentina. Los geles se aplicaron sobre ambos tipos de superficies dentarias, y se sometieron a ciclos de desmineralización/remineralización en una solución desmineralizante ácida (pH 4,8) y remineralizante de saliva artificial (pH 6,5). Completados los tratamientos, las superficies del esmalte y de la dentina fueron observadas mediante microscopía electrónica de barrido con microanálisis de energía dispersiva de rayos X y electrones retrodispersados (SEMEDX-BS) y cortes perpendiculares a la superficie dentaria se analizaron con microscopia con luz corriente y polarizada. Se realizaron pruebas de actividad antibacteriana con la bacteria Streptococcus mutans y de citocompatibilidad (MTS) con células madre de la pulpa dental humana (hDPSCs). Resultados : Todas las formulaciones de los nanogeles presentaron capacidad remineralizante. Esto se evidenció al análisis SEM-EDX-BS en LACIs como una superficie mineralizada más regular, menos porosa y con un aumento del contenido de calcio y fósforo. Con microscopía óptica se observó una disminución en la profundidad de la lesión en todas las superficies de esmalte donde los nanogeles fueron aplicados. En dentina se observó una disminución del diámetro de los túbulos dentinarios. Al análisis de actividad antimicrobiana, se observó un crecimiento bacteriano mucho menor en aquellos cultivos que estuvieron en contacto con los nanogeles. Aquellas bacterias en contacto con las soluciones compuestas con ambas nanopartículas no presentaron crecimiento bacteriano a las 48 horas de cultivo. Conclusión: Estos nanogeles presentaron propiedades de reparación del tejido mineral tanto en dentina expuesta como en lesiones de caries incipientes. Los análisis demostraron que los nanogeles reparan con una capa de apatita y que esta reparación alcanzaría la profundidad de la lesión. Los nanogeles también presentaron actividad antibacteriana ante una bacteria representativa de la caries. Particularmente, los nanogeles compuestos con nanopartículas de vidrio bioactivo y de cobre fueron los más efectivos. Estos resultados indicarían que los nanogeles presentarían propiedades reparativas y antibacterianas simultáneamente.

Caries limited to enamel and dentin hypersensitivity are two highly frequent situations in dentistry and since there is no ideal treatment for them, their therapy continues to be studied. Materials with remineralizing elements such as fluoride (F), hydroxyapatite (HAp), amorphous calcium phosphate (ACP), or bioactive glasses (BG), have been used for this purpose. In regards to the latter, some in vitro studies suggest that BG would be more effective than the use of fluoride, the current gold standard for its treatment. The main property of BG is that when in contact with saliva it forms hydroxyapatite, equivalent to that found in the structure of enamel. Nanotechnology, a science that involves the control of matter at the nanometric scale, has made it possible to improve the properties of materials, including those of BG, since BG nanoparticles have been more effective than micrometric particles of the same material. However, there is currently no product for clinical application with the use of nano-BG. On the other hand, another strategy to reduce dental demineralization is the use of antimicrobial agents that prevent the proliferation of cariogenic bacteria. In this context, copper (Cu) nanoparticles have shown the ability to reduce biofilm formation and thus acid production. Therefore, the combination of BG and Cu nanoparticles could generate a bifunctional product, with remineralization capacity (therapeutic effect) and at the same time with antimicrobial properties that would reduce the accumulation of biofilm, preventing the formation of carious lesions. Methodology: The preparation of BG-based gels with different contents of BG and Cu nanoparticles was studied using the sol-gel method. The remineralizing properties of the gels were evaluated using artificial incipient caries lesions (LACIs) created in vitro on human teeth, as well as on dentin discs. The gels were applied on both types of dental surfaces, and were subjected to demineralization/remineralization cycles in an acid demineralizing solution (pH 4.8) and artificial saliva remineralizing solution (pH 6.5). After completing the treatments, the samples were observed using scanning electron microscopy with backscattered electron and X-ray energy dispersive microanalysis (SEMEDX-BS) and microscopy with current and polarized light. Antibacterial activity tests were performed with the bacterium Streptococcus mutans and cytocompatibility (MTS) with human cells.

Results: All nanogel formulations showed remineralizing capacity. This was evidenced by the SEM-EDX-BS analysis in LACIs as a more regular mineralized surface, less porous and with an increase in the content of calcium and phosphorus. Optical microscopy showed a decrease in the depth of the lesion in all the enamel surfaces where the nanogels were applied. In dentin, a decrease in the diameter of the dentin tubules was observed. When analyzing antimicrobial activity, much less bacterial growth was observed in those cultures that were in contact with the nanogels. Those bacteria in contact with the solutions composed of both nanoparticles did not show bacterial growth after 48 hours of culture.

Conclusion: These nanogels showed mineral tissue repair properties both in exposed dentin and in incipient caries lesions. The analysis showed that the nanogels repair with an apatite layer and that this repair would reach the depth of the lesion. The nanogels also showed antibacterial activity against a representative caries bacterium. Particularly, composite nanogels with copper and bioactive glass nanoparticles were the most effective. These results would indicate that the nanogels would present reparative and antibacterial properties simultaneously.