Durante il trattamento con Invisalign, le proteine salivari o le glicoproteine riempiono lo spazio tra i denti e gli allineatori, aderendo facilmente ai denti e formando un film cellulare acquisito su cui i batteri possono colonizzare rapidamente. Questo processo porta allo sviluppo di lesioni bianche sullo smalto (WSLs), una delle principali complicazioni del trattamento ortodontico. Inibire l’attività dei batteri cariogeni e promuovere la rimineralizzazione dello smalto demineralizzato sono aspetti fondamentali per prevenire e trattare le WSLs. Attualmente, il farmaco comunemente utilizzato in ambito clinico per il trattamento delle WSLs è il fluoro diamminico d’argento (SDF). Sebbene abbia effetti sia antimicrobici sia rimineralizzanti, presenta problemi come irritazione pulpare e scolorimento dei denti.
In questo studio, basandosi sul principio della chimica di coordinazione, sono stati assemblati ioni rame e tannini polifenolici vegetali su allineatori ortodontici invisibili per formare un rivestimento a rete metallo-fenolo (TA-Cu MPNs). È stata poi introdotta la sulfonamidodopamina zwitterionica per una mineralizzazione biomimetica, ottenendo il rivestimento multifunzionale TA-Cu MPNs@ZDS@CaP (TZC). Questo rivestimento presenta un rilascio di Ca²⁺ e PO₄³⁻ sensibile agli acidi e uno strato di CaP decomposto rigenerabile mediante un semplice metodo di immersione. Il rivestimento TZC inibisce fortemente i batteri cariogeni comuni e i loro biofilm. Inoltre, i risultati degli esperimenti di mineralizzazione in vitro dimostrano che il trattamento con allineatori ortodontici invisibili rivestiti di TZC su smalto demineralizzato ha effetti significativi di rimineralizzazione. È importante sottolineare che il rivestimento costruito ha un effetto antibatterico durevole e può soddisfare il ciclo di servizio degli allineatori ortodontici invisibili. Questo studio fornisce basi teoriche e sperimentali per la prevenzione o il trattamento delle WSLs nel trattamento ortodontico invisibile.
1 Introduzione
Con il miglioramento degli standard di vita e la costante ricerca di un aspetto estetico, un numero crescente di persone presta maggiore attenzione alla salute e all’aspetto dei denti (Sischo e Broder, 2011). Ogni anno aumenta il numero di individui che si sottopongono a trattamenti ortodontici. Tra i principali metodi di trattamento ortodontico, l’ortodonzia invisibile senza brackets sta diventando sempre più popolare grazie alla sua estetica relativa e al comfort nell’uso (Djeu et al., 2005; Shrivastava et al., 2023). Tuttavia, gli allineatori ortodontici invisibili presentano alcuni problemi che non possono essere ignorati. Ad esempio, durante l’uso di un allineatore ortodontico invisibile, le proteine salivari o le glicoproteine possono riempire lo spazio tra i denti e l’allineatore, aderendo facilmente ai denti e formando una membrana acellulare non strutturata chiamata pellicola acquisita (Ayoub et al., 2020). Una volta formata questa pellicola, i batteri possono colonizzarla rapidamente.
Gli allineatori invisibili possono ostacolare l’effetto sterilizzante della saliva, promuovendo la rapida divisione, riproduzione e crescita dei batteri colonizzanti (Lynge Pedersen e Belstrøm, 2019). Questa situazione aumenta il rischio di sviluppare lesioni bianche sullo smalto (WSLs), con una prevalenza che supera il 19% nella popolazione (Xu et al., 2020). Le WSL compromettono l’aspetto estetico dei denti e possono evolversi in carie dello smalto (Marinelli et al., 2021). Nei trattamenti ortodontici, i batteri cariogeni presenti nella cavità orale sono la causa principale delle WSL. Pertanto, prevenire e trattare efficacemente le WSL, inibendo l’attività dei batteri cariogeni e promuovendo la rimineralizzazione dello smalto demineralizzato, è di fondamentale importanza clinica.
Il principio per prevenire o trattare le WSL si basa sull’arresto della progressione della demineralizzazione, la promozione della rimineralizzazione e il ripristino della struttura e delle funzioni fisiologiche dei denti (Marinelli et al., 2021). Il fluoro diamminico d’argento (SDF) è una soluzione topica di fluoro comunemente utilizzata in ambito clinico per il trattamento della carie. L’SDF ha un doppio effetto di attività antibatterica e rimineralizzante. Dopo l’uso dell’SDF, il fluoro di calcio, il fosfato d’argento e le proteine argentate, meno solubili o quasi insolubili, si formano e si depositano sulla superficie della dentina, creando uno strato protettivo insolubile che riduce la perdita di calcio e fosforo causata dalla carie (Rosenblatt et al., 2009; Mei et al., 2018). Tuttavia, l’SDF presenta diversi problemi di sicurezza nelle applicazioni cliniche, come la citotossicità degli ioni d’argento e del fluoro. Inoltre, l’uso dell’SDF è associato a diverse reazioni avverse, tra cui irritazione della polpa, scolorimento dei denti e irritazione dei tessuti molli orali (Seifo et al., 2020; Xu et al., 2024). Per questo motivo, lo sviluppo di nuovi ed efficaci metodi per la prevenzione e il trattamento delle WSL è cruciale.
La modifica della superficie è un metodo efficace per introdurre funzionalità desiderate sulla superficie dei dispositivi biomedici, fornendo proprietà aggiuntive senza compromettere le caratteristiche strutturali del materiale (Han et al., 2021). Le reti metallo-fenoliche (MPNs) rappresentano una strategia innovativa di modifica della superficie, realizzabile mediante un semplice metodo di assemblaggio metallo-fenolico e sviluppata negli ultimi anni (Ejima et al., 2013; Guo et al., 2014; Zhong et al., 2018; Yun et al., 2019). Le MPNs hanno attirato notevole attenzione nel campo delle infezioni antimicrobiche grazie alla loro eccellente biocompatibilità e alle straordinarie proprietà antimicrobiche derivanti da polifenoli e ioni metallici (Yao et al., 2024). Inoltre, le MPNs possono essere depositate su quasi qualsiasi substrato in un ambiente acquoso grazie alla chimica multifunzionale dei gruppi catecolici e gallolici. Il processo di sintesi è altamente versatile rispetto alla concentrazione, alla scelta del legante fenolico e alla selezione degli ioni metallici. Finora, sono state create librerie di rivestimenti funzionali per una vasta gamma di applicazioni (Fan et al., 2022; Li et al., 2022). Tuttavia, l’applicazione delle MPNs nella costruzione di rivestimenti multifunzionali per allineatori ortodontici è stata raramente riportata.
Nel campo della rimineralizzazione, un metodo noto come mineralizzazione biomimetica, che imita il processo di mineralizzazione naturale, ha offerto un approccio innovativo per il ripristino dei tessuti duri demineralizzati dei denti (He et al., 2022). I materiali con proprietà di promozione della rimineralizzazione possono generalmente essere suddivisi in due categorie. Una categoria prevede la modifica della superficie dello smalto o della dentina con film polimerici, inducendo la mineralizzazione dell’idrossiapatite (HAp) direttamente sulle lesioni cariose. Esempi includono il poliammidoammina (Chen et al., 2014) e il lisozima legato a polietilenglicole (Li et al., 2019). Questo metodo si basa sulla saliva per fornire Ca2+ e PO43− sovrasaturi. Tuttavia, l’efficienza di questo metodo nella guida alla mineralizzazione è limitata dalla correlazione diretta tra la quantità di Ca2+/PO43− e la nucleazione di HAp, specialmente nei pazienti affetti da xerostomia.
Un altro approccio utilizza additivi polimerici come caseinofosfopeptidi (Cochrane et al., 2008; Reema et al., 2014), acido poli-aspartico (Thula et al., 2011; Babaie et al., 2021) e acido poliacrilico (Ali et al., 2022) per stabilizzare la fase precursore e facilitare la permeazione degli ioni precursori. Durante il processo di mineralizzazione, questi additivi mediano la trasformazione della fase minerale dall’ACP alla fase cristallina di HAp. Negli ultimi anni, i materiali zwitterionici hanno guadagnato ampia attenzione grazie alle loro caratteristiche strutturali uniche e alla loro eccellente biocompatibilità (Venault e Chang, 2019). Questi materiali possiedono componenti sia positivamente che negativamente carichi, risultando in una carica complessiva neutra. Grazie all’idratazione ionica, i materiali zwitterionici possono trattenere saldamente le molecole d’acqua sulla superficie, formando uno strato d’acqua quasi cristallino, prevenendo così l’adsorbimento non specifico. He et al., 2022, ha utilizzato un polimero zwitterionico, la carbossibetaine acrilammide (PCBAA), noto per le sue proprietà antibatteriche e antifouling, per stabilizzare l’ACP (He et al., 2022). È stato scoperto che i gruppi amminici vicini (–R3N+) e i gruppi carbossilici (–COO−) nel PCBAA possono fungere da siti di precipitazione per Ca2+ e PO43−, riducendo la sovrasaturazione degli ioni minerali nella soluzione e aumentando la probabilità di cristallizzazione minerale amorfa.
Basandosi su questa discussione, è stato proposto un innovativo rivestimento pH-responsivo per allineatori ortodontici invisibili, destinato a prevenire e trattare le lesioni bianche dello smalto (WSLs). La strategia mira a ottenere un effetto anti-WSL multifunzionale e completo, mantenendo al contempo la praticità d’uso. Come mostrato nello Schema 1, l’acido tannico (TA) è stato utilizzato come rete metallo-fenolica (MPN) per formare TA-Cu MPNs sui diaframmi degli allineatori ortodontici. Successivamente, il dopamina sulfonato zwitterionico (ZDS), noto per le sue eccellenti proprietà antibatteriche, è stato introdotto sui TA-Cu MPNs. Infine, il fosfato di calcio (CaP) è stato caricato sulla superficie di TA-Cu MPNs@ZDS (TZ) tramite mineralizzazione biomimetica per formare il nanorivestimento composito TA-Cu MPNs@ZDS@CaP (TZC).
Sono state testate le seguenti ipotesi:
- In condizioni acide generate dall’infezione del biofilm, il rivestimento rigenerabile in CaP di TZC si degrada, rilasciando Ca2+ e PO43− e esponendo il ZDS, naturalmente attivo come antimicrobico, con un forte effetto distruttivo sul biofilm cariogeno.
- I Ca2+ e PO43− rilasciati possono favorire l’auto-riparazione dei denti, stabilizzando e ripristinando efficacemente i tessuti duri del dente.
Il rivestimento per allineatori ortodontici invisibili con azione antibatterica e di rimineralizzazione rappresenta un grande potenziale applicativo in ambito clinico per ridurre l’incidenza delle macchie bianche ortodontiche e prevenire la carie dentale.
Schema 1. Illustrazione schematica della preparazione del rivestimento TZC e delle sue proprietà antimicrobiche e della funzione di rimineralizzazione.
2 Materiali e Metodi
2.1 Materiali
Il cloruro di calcio diidrato (CaCl₂·2H₂O) e il fosfato disodico (Na₂HPO₄) sono stati acquistati da Aladdin. L’acido tannico (TA, reagente ACS), il cloridrato di dopamina e il cloridrato di Trizma (Tris) sono stati acquistati da Sigma-Aldrich. Il tampone fosfato salino (PBS), il 1,3-propansultone e il kit LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability sono stati acquistati da Solarbio. Tutti gli altri prodotti chimici e solventi erano reagenti analitici e sono stati utilizzati senza ulteriori purificazioni.
2.2 Sintesi dello ZDS
La sintesi dello ZDS è stata eseguita seguendo metodi sviluppati in precedenti studi, con alcune modifiche (Wei et al., 2021). Specificamente, 2,2752 g (6 mmol) di cloridrato di dopamina sono stati sciolti in 220 mL di etanolo. Il pallone è stato evacuato e riempito con N₂, e successivamente sono stati aggiunti lentamente 832 µL di idrossido di ammonio (28%) e 855 mg (7 mmol) di 1,3-propansultone. La soluzione è stata riscaldata a 55°C e agitata per 18 ore. Successivamente, la miscela è stata filtrata e il prodotto solido è stato raccolto e purificato mediante lavaggio con etanolo tre volte. Il prodotto è stato essiccato sotto vuoto e caratterizzato tramite risonanza magnetica nucleare (NMR, Bruker DRX 400, Germania).
Successivamente, 0,3286 g (1 mmol) di dopamina sulfonata sono stati sciolti in 150 mL di dimetilformammide (DMF) in un pallone a fondo tondo da 500 mL. Sono stati aggiunti 0,2544 g (2,4 mmol) di carbonato di sodio anidro. Inizialmente, il carbonato di sodio potrebbe non essersi dissolto completamente. Quindi, sono stati aggiunti 2,2 mL (35 mmol) di iodometano. La soluzione è stata agitata a 50°C per 5–10 ore. A questo punto, il carbonato di sodio era completamente dissolto e la miscela di reazione è diventata gialla al completamento della metilazione. Il DMF è stato rimosso usando un evaporatore rotante a 40°C, ottenendo una miscela oleosa. Successivamente, sono stati aggiunti 50 mL di una miscela di DMF/acetato di etile (1:10 v/v), precipitando il prodotto grezzo giallastro. Dopo la filtrazione, il prodotto grezzo è stato riflusso con 50 mL di DMF/acetone (1:10 v/v) a 55°C per 2 ore. La miscela è stata nuovamente filtrata e il precipitato raccolto. Questi processi di riflusso e filtrazione sono stati ripetuti due volte per ottenere un solido bianco, caratterizzato tramite NMR per confermarne la purezza.
2.3 Capacità di legame dello ZDS con CuII
È stata utilizzata la spettroscopia UV–vis per esaminare la capacità di legame dello ZDS con CuII. Tutte le soluzioni stock sono state preparate di recente prima delle misurazioni e degassate con azoto per 3 ore in un ambiente chiuso. Lo ZDS è stato sciolto in tampone Tris 10 mM a una concentrazione stock dello 0,1% (p/v). Una soluzione di CuII 20 mM è stata preparata in acqua distillata priva di ossigeno. Soluzioni di CuII con concentrazioni comprese tra 0,01 e 0,08 mM in tampone Tris sono state preparate prima delle misurazioni. La soluzione stock di ZDS è stata aggiunta alle soluzioni di rame per una concentrazione finale dello 0,001% (p/v) durante tutte le misurazioni.
2.4 Preparazione del rivestimento TA-Cu MPNs@ZDS@CaP (TZC)
In primo luogo, 12,5 mg di TA, 20 mg di CuCl₂·2H₂O e 50 mL di acqua deionizzata sono stati miscelati in un becher. Successivamente, il pH della miscela è stato regolato a 8 usando una soluzione acquosa di NaOH 1 M. I diaframmi degli allineatori (2,5 × 2,5 cm) sono stati quindi immersi nella soluzione sopra descritta per 12 ore. Dopo il risciacquo con acqua deionizzata e l’essiccazione sotto azoto per 24 ore, sono stati ottenuti fogli con il rivestimento TA-Cu MPN. In secondo luogo, questi fogli sono stati trattati con una soluzione di CuCl₂·2H₂O (0,74 mg/mL) e soluzione di ZDS (2 mg/mL) in tampone Tris per 10 minuti e 9 ore a temperatura ambiente, rispettivamente. Dopo il lavaggio e l’essiccazione sotto azoto, sono stati ottenuti fogli con il rivestimento TA-Cu MPNs@ZDS (TZ). Infine, il rivestimento TZC è stato fabbricato utilizzando il metodo di immersione alternata (Zhou et al., 2022). I fogli sono stati immersi in una soluzione di CaCl₂ (500 mM), acqua e una soluzione di Na₂HPO₄ per 30 secondi. Questo processo di impregnazione alternata è stato ripetuto per 8–10 cicli per indurre il rivestimento CaP sul TZ e ottenere il TZC.
2.5 Caratterizzazione
La sintesi riuscita della sulfonato di dopamina e dello ZDS è stata confermata tramite NMR. La morfologia superficiale e la mappatura degli elementi dei rivestimenti sono state caratterizzate mediante microscopia elettronica a scansione (SEM, VEGA3, TESCAN, Repubblica Ceca) dotata di spettrometria a dispersione di energia (EDS). Lo spessore del rivestimento è stato misurato utilizzando un ellissometro (Gaertner LSE Stokes). La rugosità superficiale è stata rilevata mediante microscopia a forza atomica (AFM, SPI 3800, NSK Inc., Giappone). La composizione chimica del rivestimento è stata analizzata tramite spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS, K-Alpha, Thermo Electron). Gli angoli di contatto statici dell’acqua sono stati valutati con un goniometro per angolo di contatto (Phoenix mini, Surface Electro Optics, Seoul). Una microsiringa ha prodotto gocce di 5 µL e ogni campione è stato misurato in triplice copia.
2.6 Risposta al pH in vitro
I diaframmi ortodontici rivestiti con TZC sono stati posti in una soluzione acquosa con pH = 5.5 e 7.4. Dopo 5, 15 e 30 minuti, i diaframmi sono stati rimossi e asciugati in atmosfera di azoto per 12 ore prima dell’osservazione SEM. Inoltre, i diaframmi rivestiti con TZC sono stati immersi rispettivamente in soluzioni acquose con pH = 5.5, 7.4 e 8.5 per 30 minuti. Il rilascio di Ca²⁺ dai rivestimenti TZC è stato misurato tramite spettrometria di emissione al plasma accoppiato induttivamente.
2.7 Proprietà di rigenerazione del TZC
Il campione del dispositivo contenente TZC è stato immerso in 500 mL di soluzione acquosa (pH = 5.5) per 30 minuti. Dopo l’asciugatura in un ambiente di azoto, il campione è stato impregnato alternativamente in soluzione di CaCl₂, acqua deionizzata e soluzione di Na₂HPO₄ per 30 secondi. Questo processo di impregnazione alternata è stato ripetuto per 8–10 cicli. La morfologia superficiale è stata osservata dopo l’asciugatura in ambiente di azoto.
2.8 Prestazioni antibatteriche e antibiofilm
2.8.1 Coltivazione batterica
In questo esperimento, Streptococcus mutans (S. mutans, principalmente responsabile della carie dentale, ceppo BNCC 336931) è stato coltivato a 37°C in terreno di infusione cervello-cuore. Staphylococcus aureus (S. aureus, ceppo ATCC 6538) ed Escherichia coli (E. coli, ceppo ATCC 25922) sono stati coltivati a 37°C in terreno Luria–Bertani (LB).
2.8.2 Vitalità antibatterica planctonica di TZC
È stato preparato un inoculo di test a una concentrazione di circa 6 × 10⁵ cellule/mL e il diaframma dell’allineatore è stato sterilizzato con UV prima e dopo il rivestimento e posto in piastre di coltura sterili. Successivamente, 0,1 mL di inoculo di test è stato distribuito sulla superficie e coperto con un pezzo di film (20 × 20 mm, realizzato in polietilene, polipropilene o polietilene tereftalato). L’aria tra la superficie e il film è stata delicatamente rimossa, e l’inoculo è stato distribuito fino ai bordi. È stato quindi incubato a 37°C e con un’umidità relativa >90% per 24 ore. Infine, i batteri sopravvissuti sui campioni e sulle membrane sono stati raccolti in nuove piastre Petri sterili lavandoli con soluzione fisiologica sterile. È stata preparata una diluizione seriale decimale dei batteri eluati e distribuita su agar per contare le colonie. Il tasso antimicrobico è stato determinato utilizzando la seguente equazione:
AR=(N0−N)/N0×100%
dove AR rappresenta il tasso antimicrobico e N₀ e N sono rispettivamente il numero di colonie sui campioni di controllo e rivestiti.
Inoltre, per esplorare il meccanismo antibatterico del rivestimento, il diaframma dell’allineatore rivestito e quello originale sono stati immersi nella sospensione batterica (6 × 10⁵ cellule/mL) per 24 ore. I batteri vivi presenti in ogni sospensione sono stati contati utilizzando il metodo della piastra rivestita.
2.8.3 Prestazioni Antibiofilm
I diaframmi degli allineatori rivestiti con TZC sono stati posizionati sul fondo di una piastra confocale per laser, a cui sono stati aggiunti 2 mL di sospensione batterica (1 × 10⁶ CFU/mL). Dopo incubazione in un ambiente anaerobico a 37°C per 48 ore, il mezzo di co-coltura è stato rimosso. I biofilm formati sono stati sciacquati delicatamente tre volte con PBS e colorati utilizzando il LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit al buio per 30 minuti. Le immagini fluorescenti sono state acquisite tramite microscopia confocale a scansione laser (CLSM, SP8, Leica Microsystems), e lo spessore del biofilm è stato misurato con ImageJ. Il colorante NucGreen, un colorante per acidi nucleici, evidenzia i batteri con membrane cellulari intatte in verde, mentre i batteri morti con membrane danneggiate si colorano in rosso grazie al colorante nucleico EthD-III. Il diaframma degli allineatori senza rivestimento è stato utilizzato come gruppo di controllo negativo. Tutte le determinazioni sono state effettuate in esperimenti triplicati.
La biomassa del biofilm è stata poi rilevata mediante colorazione con cristal violetto (CV). La sospensione batterica (1 × 10⁶ CFU/mL) è stata inoculata in una piastra a 6 pozzetti con i diaframmi rivestiti con TZC sul fondo e incubata a 37°C per 48 ore. I biofilm formati sono stati sciacquati delicatamente tre volte con PBS sterile e colorati con una soluzione di cristal violetto allo 0,1% (p/v) per 30 minuti. Le immagini delle colorazioni dei biofilm sono state catturate e registrate. Dopo la rimozione del colorante CV e un delicato lavaggio con PBS sterile, i biofilm sono stati digeriti con alcol al 95% per 1 ora. La biomassa del biofilm è stata quantificata registrando l’assorbanza a 600 nm.
2.8.4 Durata dell’Attività Antibatterica del TZC
I diaframmi rivestiti con TZC sono stati posizionati sul fondo di una piastra a sei pozzetti, e 2 mL di sospensione batterica (10⁶ CFU/mL) sono stati aggiunti per una co-coltura di 48 ore, formando biofilm. Dopo aver pulito i diaframmi con PBS per rimuovere batteri non aderenti, i biofilm colorati con CV sono stati digeriti con alcol al 95% per 1 ora. I biofilm sono stati agitati a fondo e diluiti, e l’assorbanza è stata misurata a 600 nm per caratterizzare la biomassa del biofilm. Successivamente, la matrice extracellulare residua e i batteri sono stati rimossi dalla superficie mediante lavaggio ultrasonico dei diaframmi in PBS per 10 minuti. Questi passaggi sono stati ripetuti utilizzando gli stessi diaframmi rivestiti per verificare la durabilità antimicrobica.
2.9 Test di Citotossicità
La biocompatibilità in vitro dei rivestimenti è stata valutata utilizzando il metodo del kit Cell Counting-8 (CCK-8). I fibroblasti gengivali umani primari (hGF) sono stati ottenuti dai tessuti gengivali di adolescenti dopo interventi di alveoloplastica presso il Qingdao Dental Hospital. L’assay è stato eseguito utilizzando hGF di quarta e sesta generazione: i diaframmi rivestiti (tagliati in dischi di 6 mm di diametro) sono stati posizionati in piastre a 96 pozzetti sterilizzate, e le cellule sono state inoculate su ciascun disco e incubate a 37°C per 48 ore. Dopo la rimozione del surnatante e un’incubazione con 100 µL di DMEM contenente il 10% di CCK-8 (Dojindo, Giappone) per pozzetto, la miscela è stata incubata a 37°C per 2 ore. L’assorbanza di ciascun pozzetto è stata registrata a 450 nm. La percentuale di vitalità cellulare è stata determinata utilizzando la seguente equazione:
Cellviability(%)=[A450(experimental)−A450(medium)]/[A450(control)−A450(medium)]
2.10 Saggio di Emolisi
Il sangue intero umano è stato ottenuto dal Laboratorio Clinico dell’Ospedale Stomatologico di Qingdao e diluito fino alla concentrazione finale (20%, v/v) con soluzione salina normale. Un dischetto di 6 mm di diametro del dispositivo, sia non rivestito che caricato con diversi rivestimenti, è stato posizionato sul fondo di una provetta da 1,5 mL. Successivamente, sono stati aggiunti 50 μL di sangue diluito, come descritto sopra, e 1 mL di soluzione salina normale. Il Triton X-100 (0,1%) è stato utilizzato come controllo positivo, mentre il PBS è stato utilizzato come controllo negativo. I gruppi sperimentali e di controllo sono stati incubati a 37°C per 1 ora. Al termine dell’incubazione, la soluzione è stata centrifugata a 1000 × g per 5 minuti e l’attività emolitica è stata determinata a 540 nm utilizzando un lettore di micropiastre (BioTek ELX800, BioTek Instruments, Stati Uniti).
2.11 Preparazione dei Campioni per la Rimineralizzazione
Terzi molari umani sono stati ottenuti da pazienti di età compresa tra 18 e 30 anni sottoposti ad estrazioni profilattiche presso l’Ospedale Stomatologico di Qingdao. I criteri di inclusione includevano denti maturi privi di carie, crepe o altri difetti. La corona è stata separata dai denti al livello della giunzione cemento-smalto, e le sezioni di smalto sono state tagliate utilizzando una sega diamantata a bassa velocità e raffreddata ad acqua per ottenere campioni di 4 × 3 × 1 mm³. I campioni di smalto sono stati incisi con acido fosforico al 37% per 30 secondi per produrre un modello demineralizzato, sciacquati accuratamente con acqua deionizzata e sottoposti a ultrasuoni per 5 minuti (He et al., 2022).
2.12 Saggio di Rimineralizzazione In Vitro dello Smalto
Per valutare il potenziale ruolo nella rimineralizzazione dello smalto, sono stati processati modelli di demineralizzazione artificiale utilizzando diaframmi di allineatori rivestiti con TZC. È stato creato un modello di danno precoce da demineralizzazione dello smalto incidendo la superficie di sezioni di smalto dentale umano con acido fosforico al 37% per 30 secondi. Le sezioni di smalto ottenute sono state posizionate su diaframmi di allineatori contenenti i rivestimenti (n = 12) e immerse in 10 mL di saliva artificiale, sostituita giornalmente con saliva fresca, e incubate a 37°C per 2 settimane. Dopo ripetuti risciacqui con acqua deionizzata e asciugatura, la morfologia della superficie è stata osservata tramite microscopia elettronica a scansione (SEM), la distribuzione degli elementi è stata analizzata utilizzando la tecnica di analisi delle immagini degli elementi a spettroscopia a raggi X, e l’orientamento cristallino della superficie dello smalto è stato analizzato tramite diffrazione a raggi X (XRD, Rigaku Ultima IV, Giappone) per identificare le strutture cristalline. I campioni sono stati esaminati tra 10° e 60° (2θ) a una velocità di scansione di 5° (2θ) al minuto utilizzando radiazione Cu Kα (λ = 0.15418). Sono state effettuate analisi di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) dei materiali di ciascun gruppo nell’intervallo di 400–4000 cm⁻¹ utilizzando un sistema ATR-IR con spettrometro Nicolet iN10 FTIR (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, Stati Uniti).
2.13 Analisi Statistica
Tutti i dati sono presentati come valore medio ± deviazione standard dell’esperimento indipendente. È stata adottata un’analisi della varianza ad elemento singolo per condurre confronti multipli. Tutte le analisi statistiche correlate derivano da almeno tre esperimenti paralleli, senza ulteriori spiegazioni specifiche: *p < 0.05, **p < 0.01, e ***p < 0.001.
3 Risultati e Discussione
3.1 Capacità di Legame di ZDS e CuII
ZDS è stato sintetizzato seguendo uno studio precedente (Wei et al., 2012) e la sua struttura chimica è stata confermata tramite spettroscopia ¹H NMR (Figure 1A, B). L’interazione tra ZDS e CuII è stata studiata utilizzando la spettroscopia UV–vis. Come mostrato in Figura 1C, lo spettro UV–vis di ZDS presenta un picco massimo di assorbanza a λ = 280 nm. Dopo l’aggiunta di CuII, è stata rilevata una banda ampia nell’intervallo λ = 500–700 nm, indicando la formazione di un complesso fenolo-rame. Inoltre, è stato osservato uno spostamento bato-cromico della banda caratteristica di assorbanza con l’aumentare della concentrazione di rame nella regione di 220–350 nm.
Figura 1
- (A) Spettro ¹H NMR di DS.
- (B) Spettro ¹H NMR di ZDS (il picco a δ = 4,80 proviene da D₂O).
- (C) Spettri UV–vis della coordinazione di ZDS con CuII. Soluzioni di CuII a concentrazioni comprese tra 0,01 e 0,08 mM in tampone Tris sono state miscelate con ZDS.
- (D) Morfologie superficiali dei rivestimenti TA-Cu, TZ e TZC determinate tramite microscopia elettronica a scansione (SEM). I riquadri mostrano macrofotografie dei diversi rivestimenti.
- (E) Distribuzione degli elementi del rivestimento TZC.
3.2 Caratterizzazione dei rivestimenti TZC
Il processo di sintesi per il rivestimento TZC è illustrato nello Schema 1. In primo luogo, i TA-CuII MPN sono stati depositati sui diaframmi degli allineatori dopo un’immersione di 12 ore in una soluzione alcalina contenente acido tannico (TA) e CuCl₂·2H₂O. I diaframmi degli allineatori hanno mostrato il tipico colore marrone del polifenolo, confermando l’efficacia della strategia chimica superficiale CuII–fenolica. Successivamente, lo ZDS è stato legato tramite coordinazione con CuII per formare il rivestimento TZ. Infine, un rivestimento CaP è stato costruito sulla superficie di TZ attraverso la mineralizzazione biomimetica per formare TZC (Li et al., 2023).
Morfologia dei rivestimenti
Le morfologie dei rivestimenti fabbricati sono state osservate (Figura 1D). I rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC si presentavano complessivamente marroni; per questo motivo, si raccomanda l’uso notturno degli allineatori trasparenti rivestiti durante l’uso clinico. Inoltre, poiché durante la notte l’attività orale è ridotta, le proteine salivari e le glicoproteine tendono a riempire gli spazi tra il dispositivo e i denti, formando un biofilm acquisito. L’uso notturno degli allineatori rivestiti può prevenire efficacemente le lesioni bianche dello smalto (WSL).
- I rivestimenti TA-Cu MPN e TZ presentavano una superficie liscia con alcune rughe rispetto ai diaframmi degli allineatori non trattati.
- La superficie di TZC era caratterizzata da strutture lamellari a pattern.
Distribuzione degli elementi
Lo spettro energetico evidenzia la distribuzione di sei elementi (Ca, P, C, N, S e O; Figura 1E).
Composizione e stato chimico
La composizione degli elementi e lo stato chimico del rivestimento TZC sui diaframmi degli allineatori sono stati analizzati tramite XPS (Figure 2A, B). Un componente distinto a 925–965 eV, corrispondente a Cu, è stato identificato nel campione TA-Cu MPN. Questo suggerisce che i segnali fossero associati a un gran numero di ioni di rame non accoppiati nei rivestimenti MPN (Ko e Huang, 2020). Nei campioni TZ non si osservava alcun picco evidente, probabilmente a causa dell’adesione dello zwitterione catecolico DS alla superficie tramite chelazione con gli ioni Cu nei rivestimenti MPN.
Spessore e rugosità
- Lo spessore finale del rivestimento TZC era di circa 50 nm (Figura 2C), significativamente diverso da quello dei rivestimenti TA-Cu MPN e TZ.
- I risultati RMS dell’AFM hanno mostrato una riduzione della rugosità superficiale con l’introduzione di ZDS nei rivestimenti rispetto ai TA-Cu MPN, attribuibile all’idratazione ionica del materiale anfifilico. La rugosità del rivestimento TZC è aumentata a causa della mineralizzazione del CaP (Figura 2D).
Angolo di contatto statico (WAC)
I risultati delle misurazioni del WAC sono mostrati in Figura 2E.
- Il diaframma degli allineatori senza rivestimento aveva un WAC di 83,05 ± 2,0°.
- Dopo il caricamento dei rivestimenti, i WAC di TA-Cu MPN, TZ e TZC erano rispettivamente 36,41 ± 1,69°, 29,00 ± 2,4° e 38,28 ± 0,6°.
Questo è attribuibile ai gruppi idrofili sulla superficie del rivestimento e all’elevata densità superficiale delle unità ZDS attaccate.
In conclusione, tutti i risultati sopra riportati hanno dimostrato il successo nella sintesi dei rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC.
Figura 2.
- (A) Spettri XPS dei rivestimenti TA-Cu MPNs, TZ e TZC.
- (B) Spettri XPS dettagliati del rame nei rivestimenti TA-Cu MPNs e TZ.
- (C) Evoluzione dello spessore dei rivestimenti TA-Cu MPNs, TZ e TZC misurata mediante ellissometria spettrale.
- (D) Rugosità dei rivestimenti TA-Cu MPNs, TZ e TZC. La rugosità quadratica media (RMS) è stata determinata mediante AFM su immagini con un’area di scansione di 20 × 20 µm².
- (E) Misurazioni dell’angolo di contatto dell’acqua per i rivestimenti TA-Cu MPNs, TZ e TZC.
- (F) Risposta al pH dei rivestimenti TZC: morfologia dei rivestimenti TZC a diversi intervalli di tempo (pH = 5,5 e 7,4).
- (G) Contenuto di Ca²⁺ rilasciato entro 30 minuti dai rivestimenti TZC a diversi valori di pH.
Figura 3. Illustrazione schematica e fotografie dei rivestimenti TZC prima e dopo la rigenerazione.
3.3 Proprietà antimicrobiche
Quando l’igiene orale non viene mantenuta adeguatamente, i batteri cariogeni metabolizzano i carboidrati in acidi organici, portando alla demineralizzazione dello smalto. Pertanto, l’inibizione efficace e la distruzione della crescita e della riproduzione dei batteri cariogeni sono fondamentali per la prevenzione e il trattamento delle lesioni bianche dello smalto (WSL). Per gli esperimenti antibatterici sono stati selezionati Streptococcus mutans (S. mutans), Escherichia coli (E. coli, batteri Gram-negativi) e Staphylococcus aureus (S. aureus, batteri Gram-positivi) (Figura 4A). Come mostrato nelle Figure 4B e 4C, i rivestimenti TA-Cu MPNs mostrano un certo effetto antimicrobico grazie alla presenza di Cu²⁺ (Li et al., 2018). Con l’introduzione del ZDS, le prestazioni antimicrobiche di TZ sono state ulteriormente rafforzate, raggiungendo un’efficienza battericida prossima al 100%, grazie all’azione sinergica dei gruppi quaternari di ammonio con carica positiva e del Cu²⁺. Dopo la formazione dello strato di CaP, una parte della carica positiva viene consumata, riducendo l’effetto antibatterico del rivestimento TZC.
Figura 4.
(A) Illustrazione schematica degli esperimenti antibatterici sui rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC.
(B) Efficienza antimicrobica dei rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC.
(C) Tasso di attività battericida dei rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC.
(D) Immagini SEM dei biofilm di S. mutans sui rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC.
(E) Proprietà antibatteriche dei rivestimenti TZ contro i batteri aderenti e sospesi.
Ispirati dai vantaggi dei rivestimenti realizzati, sono stati analizzati il numero e la morfologia dei batteri aderenti in ciascun gruppo di diaframmi degli allineatori. Abbiamo selezionato S. mutans come modello di riferimento. Le modifiche morfologiche dei batteri sono state caratterizzate mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). Come mostrato nella Figura 4D, sul diaframma dell’allineatore non rivestito sono state osservate abbondanti colonie di S. mutans con strutture globulari a catena ben evidenti e membrane cellulari integre. Al contrario, in condizioni simili, pochi S. mutans sono rimasti sulla superficie del rivestimento TZ. I batteri hanno mostrato evidenti segni di distorsione strutturale, collasso o addirittura lisi completa. Inoltre, confrontando i risultati di esperimenti precedenti, dopo l’immersione del diaframma corretto rivestito con TZ nella sospensione batterica, molti batteri vivi erano ancora presenti nella sospensione (Figura 4E). Pertanto, il principale meccanismo antibatterico del rivestimento TZ è la sterilizzazione per contatto. Gli esperimenti sopra descritti forniscono prove preliminari dell’attività inibitoria batterica desiderata dei rivestimenti.
La colorazione live/dead è stata utilizzata per valutare l’effetto antibiofilm (Figura 5A). Dopo l’osservazione tramite microscopia confocale a scansione laser (CLSM), la fluorescenza verde e rossa rappresenta batteri vivi e morti, rispettivamente. Nel gruppo di allineatori non rivestiti, il biofilm spesso di S. mutans era prevalentemente verde e la fluorescenza rossa era poco evidente. Nei gruppi con rivestimento, molti punti verdi sono comparsi nel biofilm, suggerendo che i TA-Cu MPNs non avessero un effetto battericida sufficiente contro S. mutans. Sul rivestimento TZ si è formato quasi nessun biofilm e il biofilm residuo mostrava una fluorescenza rossa intensa, indicando che il catione quaternario zwitterionico ha inibito efficacemente l’adesione batteriostatica per formare il biofilm. Al contrario, l’abilità di inibizione del rivestimento TZC sul biofilm è diminuita leggermente, indicando che l’introduzione del CaP ha indebolito la prestazione antibiofilm del rivestimento TZC. Tuttavia, il risultato complessivo è stato migliore rispetto a quello dei TA-Cu MPNs e del gruppo di controllo senza rivestimento. La biomassa del biofilm dopo diversi trattamenti è stata quantificata utilizzando la colorazione con violetto cristallino (CV). Come mostrato nelle Figure 5B e 5C, tutti i rivestimenti hanno fornito effetti antibiofilm, particolarmente evidenti nei gruppi TZ e TZC, con una significativa riduzione della biomassa del biofilm.
Figura 5. (A) Immagini rappresentative 3D della colorazione live/dead dei biofilm di S. mutans. (B) Immagini di biofilm colorati con violetto cristallino sui rivestimenti TA-Cu MPNs, TZ e TZC. (C) Biomassa del biofilm misurata (n = 3). (D) Istogrammi che mostrano la biomassa del biofilm sul diaframma degli allineatori rivestiti con TZC dopo diversi cicli di utilizzo.
La persistenza antibatterica del rivestimento TZC è stata testata. I risultati delle misurazioni della biomassa hanno mostrato che il numero di biofilm residui aumentava gradualmente con l’aumento del numero di cicli, probabilmente a causa della perdita parziale del rivestimento (Figura 5D). Tuttavia, al quarto ciclo, i diaframmi degli allineatori rivestiti con TZC non hanno inibito la formazione di biofilm. Questa situazione estrema non si verificherebbe clinicamente, poiché i pazienti sono generalmente istruiti a sciacquare la bocca e gli allineatori dopo i pasti per prevenire l’adesione e la crescita dei batteri, sfavorendo così la formazione di biofilm.
3.4 Remineralizzazione dello smalto in vitro
Per valutare il potenziale ruolo nella remineralizzazione dello smalto, in questo esperimento sono stati utilizzati modelli di demineralizzazione artificiale dello smalto preparati con diaframmi per allineatori contenenti i rivestimenti (Figura 6A). È stato creato un modello di danno precoce dello smalto demineralizzato incidendo con acido la superficie dello smalto di sezioni di denti umani utilizzando H3PO4 al 37% per 30 secondi. Per quanto riguarda l’effetto della remineralizzazione dello smalto, dopo 7 giorni di remineralizzazione naturale, la struttura prismatica della superficie dello smalto nel gruppo di controllo era esposta con un aspetto “a squame di pesce”, e non è stato osservato alcuno strato di remineralizzazione significativo (Figura 6B). Ciò è dovuto alla dissoluzione dei componenti organici e inorganici dello smalto durante la demineralizzazione. Quando l’HAp perde diversi ioni minerali, l’integrità della sua struttura reticolare viene distrutta, determinando la formazione di cavità. Sebbene la saliva abbia una certa capacità di remineralizzazione, il suo effetto mineralizzante è limitato dalla quantità di ioni calcio e fosfato presenti nella saliva.
Al contrario, un modello di smalto demineralizzato trattato con un diaframma per allineatori contenente il rivestimento TZC ha rivelato la formazione di uno strato minerale distinto sulla superficie dello smalto, con le regioni interstiziali delle colonne di smalto quasi riempite da cristalli di nuova formazione. Queste nuove strutture intermedie sono molto probabilmente particelle di ACP (fosfato di calcio amorfo) di dimensioni nanometriche che possono facilmente penetrare nella regione sotto la colonna dello smalto. Gli ioni calcio e fosforo forniti dall’ACP aumentano così la loro concentrazione nella saliva, accelerando la trasformazione dei cristalli per formare HAp.
La Figura 6 presenta i seguenti dati:
- (A) Illustrazione schematica del test di remineralizzazione. Viene mostrata la configurazione sperimentale in cui sezioni di smalto demineralizzate sono trattate con diaframmi per allineatori rivestiti con TZC in saliva artificiale, con un focus sul processo di remineralizzazione.
- (B) Micrografie elettroniche delle sezioni di smalto dopo l’incisione con acido e i contenuti di calcio (Ca) e fosforo (P). Le immagini evidenziano le differenze nella struttura superficiale tra lo smalto inciso e quello trattato con il rivestimento TZC, mostrando un riempimento significativo delle cavità interstiziali nei campioni trattati.
- (C) Analisi XRD (diffrazione ai raggi X) dello smalto nativo, inciso con acido e demineralizzato, incubato con TZC per 14 giorni. Il picco di diffrazione caratteristico a 2θ = 25,8, rappresentativo dell’idrossiapatite (HAp), si indebolisce nei campioni incisi con acido ma viene ripristinato dopo il trattamento con TZC, confermando la formazione di nuovi cristalli di HAp.
- (D) Risultati del test infrarosso (IR) dello smalto nativo, inciso con acido e demineralizzato, incubato con TZC per 14 giorni. Nel campione trattato, riemergono le bande caratteristiche del gruppo fosfato (PO43−) osservabili nello smalto sano, ulteriormente a supporto della formazione di HAp.
La Figura 6C mostra che il picco di diffrazione (002) a 2θ = 25,8, caratteristico dell’idrossiapatite (HAp), è evidente nello smalto sano. Dopo l’incisione con acido, questo picco caratteristico si è significativamente indebolito o scomparso. Tuttavia, dopo 14 giorni di incubazione in saliva artificiale, il picco è stato chiaramente ristabilito nello smalto demineralizzato trattato con il rivestimento TZC, suggerendo la formazione di cristalli di HAp sui campioni. L’analisi EDS ha rilevato che il rapporto molare Ca/P nello smalto naturale era vicino allo standard stechiometrico di 1,67 per l’HAp. Dopo l’incisione con acido, il rapporto Ca/P si è ridotto a 1,49 a causa di perdite proporzionali di calcio e fosforo. Con il trattamento di remineralizzazione mediante il rivestimento TZC, il rapporto Ca/P è aumentato a 1,71, confermando ulteriormente la formazione di HAp.
La Figura 6D mostra che, nel range 400–2500 cm−1, la banda caratteristica del gruppo PO43− a 1090–1032 cm−1 è visibile nello smalto sano. Dopo l’incisione acida, questa banda è significativamente scomparsa. Tuttavia, dopo 14 giorni di incubazione in saliva artificiale, la banda caratteristica del gruppo PO43− è riemersa nello smalto demineralizzato trattato con TZC, confermando ulteriormente che i cristalli formati sulla superficie erano HAp. Inoltre, non sono stati osservati cambiamenti significativi nel colore delle sezioni di smalto durante l’esperimento.
3.5 Citotossicità
La citotossicità è stata valutata utilizzando fibroblasti gengivali. Il metodo CCK-8 è stato impiegato per studiare l’effetto dei vari rivestimenti sulla vitalità cellulare. Come controllo, i fibroblasti gengivali cocoltivati con il diaframma non rivestito hanno mostrato una vitalità cellulare del 100%. I rivestimenti con TA-Cu MPN hanno mantenuto una vitalità cellulare approssimativa del 92%, indicando una buona biocompatibilità. Al contrario, i gruppi quaternari di ammonio positivamente caricati hanno aumentato leggermente la citotossicità del rivestimento TZ, riducendo la vitalità cellulare all’85%. Dopo l’introduzione del CaP, la vitalità cellulare con il rivestimento TZC è scesa all’81%. Tuttavia, non è stata rilevata una differenza statistica significativa tra i tre gruppi. In generale, i rivestimenti sviluppati hanno dimostrato una buona biocompatibilità con una citotossicità relativamente bassa.
La Figura 7 presenta i seguenti dati relativi alla biocompatibilità dei rivestimenti:
- Figura 7A: L’effetto dei rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC sull’attività dei fibroblasti gengivali è stato determinato mediante il metodo CCK-8. I fibroblasti gengivali mantenuti a contatto con il diaframma senza rivestimento hanno mostrato una vitalità cellulare del 100% (gruppo di controllo). Il rivestimento TA-Cu MPN ha mantenuto una vitalità cellulare di circa il 92%, dimostrando una buona biocompatibilità. Il rivestimento TZ ha mostrato una vitalità cellulare ridotta all’85%, attribuita alla presenza di gruppi quaternari di ammonio positivamente caricati, che hanno incrementato leggermente la citotossicità. Infine, il rivestimento TZC, con l’introduzione dello strato di CaP, ha mostrato una vitalità cellulare di circa l’81%, senza differenze statisticamente significative tra i gruppi.
- Figura 7B: I saggi di emolisi sono stati condotti per determinare l’effetto dei rivestimenti su eritrociti umani. Il tasso massimo di emolisi osservato in tutti i gruppi sperimentali è stato inferiore al 2%, rispettando lo standard ASTM E2524-08 per la biocompatibilità. Questo risultato dimostra che i rivestimenti TA-Cu MPN, TZ e TZC hanno una buona compatibilità con le cellule del sangue in vitro.
3.6 Hemolysis Assay
I risultati dei test ematologici (Figura 7B) hanno mostrato che gli eritrociti coltivati nei gruppi sperimentali hanno subito una minima emolisi, con un tasso massimo di emolisi inferiore al 2%, rispettando lo standard ASTM E2524-08. Di conseguenza, i rivestimenti TA-Cu MPNs, TZ e TZC hanno dimostrato una buona biocompatibilità in vitro.
4 Conclusion
In sintesi, è stato sviluppato un rivestimento multifunzionale con proprietà antibatteriche e di remineralizzazione per allineatori ortodontici invisibili. Lo ZDS è stato innestato su TA-CuII MPNs, introducendo eccellenti proprietà antibatteriche e siti di legame per Ca²⁺ e PO₄³⁻, favorendo la mineralizzazione biomimetica per la formazione dello strato di CaP.
Nell’ambiente cariogeno acido, lo strato di CaP sensibile al pH rilascia elevate quantità di Ca²⁺ e PO₄³⁻, promuovendo la remineralizzazione dello smalto demineralizzato. È importante notare che lo strato di CaP disciolto può essere rigenerato con un semplice metodo di immersione. Il rivestimento TZC ha dimostrato una buona durabilità contro i biofilm. Gli allineatori ortodontici invisibili rivestiti con TZC rappresentano una promettente strategia preventiva e terapeutica per affrontare le complicazioni cliniche nei trattamenti ortodontici.
Dichiarazione sulla disponibilità dei dat
I contributi originali presentati nello studio sono inclusi nell’articolo/Materiale Supplementare. Ulteriori richieste possono essere indirizzate agli autori corrispondenti.
Dichiarazione etica
Gli studi che coinvolgono esseri umani sono stati approvati dal Qingdao Stomatological Hospital Medical Ethics Committee. Gli studi sono stati condotti in conformità con la legislazione locale e i requisiti istituzionali. I partecipanti hanno fornito il consenso informato scritto per partecipare a questo studio.
Contributi degli autori
- QQ: Stesura della bozza originale, Revisione e modifica.
- WY: Metodologia, Revisione e modifica.
- JZ: Revisione e modifica.
- YG: Risorse, Supervisione, Revisione e modifica.
- YY: Acquisizione finanziamenti, Metodologia, Supervisione, Revisione e modifica.
Finanziamenti
Gli autori dichiarano di aver ricevuto supporto finanziario per la ricerca, la stesura e/o la pubblicazione di questo articolo. Questa ricerca è stata finanziata dalla Natural Science Foundation of the Qingdao Key Health Discipline Development Fund (2022-2024), dal Qingdao Clinical Research Center for Oral Diseases (Grant No. 22-3-7-lczx-7-nsh) e dalla Shandong Provincial Key Medical and Health Discipline of Oral Medicine (Qingdao University Affiliated Qingdao Stomatological Hospital) (2024-2026).
Dichiarazione di conflitto di interesse
Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interesse.
Nota del publisher
Tutte le affermazioni espresse in questo articolo rappresentano esclusivamente il parere degli autori e non necessariamente delle loro organizzazioni affiliate, né del publisher, dei revisori o degli editor. Nessun prodotto o affermazione valutata nell’articolo è garantito o approvato dal publisher.
References
Ali, A. F., Abo-Elezz, A., and Safy, R. (2022). The effect of polyacrylic acid and sodium trimetaphosphate on dentin hybrid layer remineralization: an in vitro study. J. Clin. Exp. Dent. 14, e827–e833. doi:10.4317/jced.59574
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Ayoub, H. M., Gregory, R. L., Tang, Q., and Lippert, F. (2020). Influence of salivary conditioning and sucrose concentration on biofilm-mediated enamel demineralization. J. Appl. Oral Sci. 28, e20190501. doi:10.1590/1678-7757-2019-0501
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Babaie, E., Bacino, M., White, J., Nurrohman, H., Marshall, G. W., Saeki, K., et al. (2021). Polymer-Induced Liquid Precursor (PILP) remineralization of artificial and natural dentin carious lesions evaluated by nanoindentation and microcomputed tomography. J. Dent. 109, 103659. doi:10.1016/j.jdent.2021.103659
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Chen, M., Yang, J., Li, J., Liang, K., He, L., Lin, Z., et al. (2014). Modulated regeneration of acid-etched human tooth enamel by a functionalized dendrimer that is an analog of amelogenin. Acta Biomater. 10, 4437–4446. doi:10.1016/j.actbio.2014.05.016
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Cochrane, N. J., Saranathan, S., Cai, F., Cross, K., and Reynolds, E. (2008). Enamel subsurface lesion remineralisation with casein phosphopeptide stabilised solutions of calcium, phosphate and fluoride. Caries Res. 42, 88–97. doi:10.1159/000113161
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Dai, D., Wang, J., Xie, H., and Zhang, C. (2023). An epigallocatechin gallate-amorphous calcium phosphate nanocomposite for caries prevention and demineralized enamel restoration. Mater Today Bio 21, 100715. doi:10.1016/j.mtbio.2023.100715
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Djeu, G., Shelton, C., and Maganzini, A. (2005). Outcome assessment of Invisalign and traditional orthodontic treatment compared with the American Board of Orthodontics objective grading system. Am. J. Orthod. Dentofac. Orthop. 128, 292–298. doi:10.1016/j.ajodo.2005.06.002
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Ejima, H., Richardson, J. J., Liang, K., Best, J. P., van Koeverden, M. P., Such, G. K., et al. (2013). One-step assembly of coordination complexes for versatile film and particle engineering. Science 341, 154–157. doi:10.1126/science.1237265
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Fan, G., Cottet, J., Rodriguez-Otero, M. R., Wasuwanich, P., and Furst, A. L. (2022). Metal-phenolic networks as versatile coating materials for biomedical applications. ACS Appl. Bio Mater 5, 4687–4695. doi:10.1021/acsabm.2c00136
CrossRef Full Text | Google Scholar
Guo, J., Ping, Y., Ejima, H., Alt, K., Meissner, M., Richardson, J. J., et al. (2014). Engineering multifunctional capsules through the assembly of metal-phenolic networks. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 53, 5546–5551. doi:10.1002/anie.201311136
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Han, M., Dong, Z., Li, J., Luo, J., Yin, D., Sun, L., et al. (2021). Mussel-inspired self-assembly engineered implant coatings for synergistic anti-infection and osteogenesis acceleration. J. Mater Chem. B 9, 8501–8511. doi:10.1039/d1tb01607e
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
He, J., Yang, J., Li, M., Li, Y., Pang, Y., Deng, J., et al. (2022). Polyzwitterion manipulates remineralization and antibiofilm functions against dental demineralization. ACS Nano 16, 3119–3134. doi:10.1021/acsnano.1c10812
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Ko, M. P., and Huang, C. J. (2020). A versatile approach to antimicrobial coatings via metal-phenolic networks. Colloids Surf. B Biointerfaces 187, 110771. doi:10.1016/j.colsurfb.2020.110771
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Li, C., Lu, D., Deng, J., Zhang, X., and Yang, P. (2019). Amyloid-like rapid surface modification for antifouling and in-depth remineralization of dentine tubules to treat dental hypersensitivity. Adv. Mater 31, e1903973. doi:10.1002/adma.201903973
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Li, Q., Liu, J., Liu, H., Sun, Y., Xu, Y., Wang, K., et al. (2023). Multifunctional magnesium organic framework-based photothermal and pH dual-responsive mouthguard for caries prevention and tooth self-healing promotion. Bioact. Mater 29, 72–84. doi:10.1016/j.bioactmat.2023.06.017
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Li, X., Gao, P., Tan, J., Xiong, K., Maitz, M. F., Pan, C., et al. (2018). Assembly of metal-phenolic/catecholamine networks for synergistically anti-inflammatory, antimicrobial, and anticoagulant coatings. ACS Appl. Mater Interfaces 10, 40844–40853. doi:10.1021/acsami.8b14409
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Li, Y., Miao, Y., Yang, L., Zhao, Y., Wu, K., Lu, Z., et al. (2022). Recent advances in the development and antimicrobial applications of metal-phenolic networks. Adv. Sci. (Weinh) 9, e2202684. doi:10.1002/advs.202202684
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Lynge Pedersen, A. M., and Belstrøm, D. (2019). The role of natural salivary defences in maintaining a healthy oral microbiota. J. Dent. 80 (1), S3–s12. doi:10.1016/j.jdent.2018.08.010
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Marinelli, G., Inchingolo, A. D., Inchingolo, A. M., Malcangi, G., Limongelli, L., Montenegro, V., et al. (2021). White spot lesions in orthodontics: prevention and treatment. A descriptive review. J. Biol. Regul. Homeost. Agents. 35, 227–240. doi:10.23812/21-2supp1-24
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Mei, M. L., Lo, E., and Chu, C. (2018). Arresting dentine caries with silver diamine fluoride: what’s behind it? J. Dent. Res. 97, 751–758. doi:10.1177/0022034518774783
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Reema, S. D., Lahiri, P. K., and Roy, S. S. (2014). Review of casein phosphopeptides-amorphous calcium phosphate. Chin. J. Dent. Res. 17, 7–14.
PubMed Abstract | Google Scholar
Reyes-Gasga, J., Martínez-Piñeiro, E. L., Rodríguez-Álvarez, G., Tiznado-Orozco, G. E., García-García, R., and Brès, E. F. (2013). XRD and FTIR crystallinity indices in sound human tooth enamel and synthetic hydroxyapatite. Mater Sci. Eng. C Mater Biol. Appl. 33, 4568–4574. doi:10.1016/j.msec.2013.07.014
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Rosenblatt, A., Stamford, T., and Niederman, R. (2009). Silver diamine fluoride: a caries “silver-fluoride bullet. J. Dent. Res. 88, 116–125. doi:10.1177/0022034508329406
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Seifo, N., Robertson, M., MacLean, J., Blain, K., Grosse, S., Milne, R., et al. (2020). The use of silver diamine fluoride (SDF) in dental practice. Br. Dent. J. 228, 75–81. doi:10.1038/s41415-020-1203-9
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Shrivastava, A., Mohanty, P., Dash, B. P., Jena, S., and Sahoo, N. (2023). Proficiency of clear aligner therapy: a systematic review and meta-analysis. Cureus 15, e45072. doi:10.7759/cureus.45072
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Sischo, L., and Broder, H. L. (2011). Oral health-related quality of life: what, why, how, and future implications. J. Dent. Res. 90, 1264–1270. doi:10.1177/0022034511399918
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Thula, T. T., Svedlund, F., Rodriguez, D. E., Podschun, J., Pendi, L., and Gower, L. B. (2011). Mimicking the nanostructure of bone: comparison of polymeric process-directing agents. Polym. (Basel) 3, 10–35. doi:10.3390/polym3010010
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Venault, A., and Chang, Y. (2019). Designs of zwitterionic interfaces and membranes. Langmuir 35, 1714–1726. doi:10.1021/acs.langmuir.8b00562
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Wei, H., Insin, N., Lee, J., Han, H. S., Cordero, J. M., Liu, W., et al. (2012). Compact zwitterion-coated iron oxide nanoparticles for biological applications. Nano Lett. 12, 22–25. doi:10.1021/nl202721q
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Xu, G. Y., Zhao, I. S., Lung, C. Y., Yin, I. X., Lo, E. C., and Chu, C. H. (2024). Silver compounds for caries management. Int. Dent. J. 74, 179–186. doi:10.1016/j.identj.2023.10.013
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Xu, X., Wang, N., Wu, M., Wang, J., Wang, D., Chen, Z., et al. (2020). Programmed antibacterial and mineralization therapy for dental caries based on zinc-substituted hydroxyapatite/alendronate-grafted polyacrylic acid hybrid material. Colloids Surf. B Biointerfaces 194, 111206. doi:10.1016/j.colsurfb.2020.111206
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Yan, J., Yang, H., Luo, T., Hua, F., and He, H. (2022). Application of amorphous calcium phosphate agents in the prevention and treatment of enamel demineralization. Front. Bioeng. Biotechnol. 10, 853436. doi:10.3389/fbioe.2022.853436
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Yao, T., Zeng, X., Li, H., Luo, T., Tao, X., and Xu, H. (2024). Metal-polyphenol coordination nanosheets with synergistic peroxidase-like and photothermal properties for efficient antibacterial treatment. Int. J. Biol. Macromol. 269, 132115. doi:10.1016/j.ijbiomac.2024.132115
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Yun, G., Richardson, J. J., Biviano, M., and Caruso, F. (2019). Tuning the mechanical behavior of metal-phenolic networks through building block composition. ACS Appl. Mater Interfaces 11, 6404–6410. doi:10.1021/acsami.8b19988
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Zhong, Q. Z., Pan, S., Rahim, M. A., Yun, G., Li, J., Ju, Y., et al. (2018). Spray assembly of metal-phenolic networks: formation, growth, and applications. ACS Appl. Mater Interfaces 10, 33721–33729. doi:10.1021/acsami.8b13589
PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Zhou, Y., Deng, J., Zhang, Y., Wei, Z., Shen, J., Li, C., et al. (2022). Engineering DNA-guided hydroxyapatite bulk materials with high stiffness and outstanding antimicrobial ability for dental inlay applications. Adv. Mat. 34, e2202180. doi:10.1002/adma.202202180
CrossRef Full Text | Google Scholar
Keywords: white spot lesions, zwitterion, antimicrobial properties, remineralization, coating
Citation: Qin Q, Yuan W, Zhang J, Gao Y and Yu Y (2024) A pH-sensitive, renewable invisible orthodontic aligners coating manipulates antibacterial and in situ remineralization functions to combat enamel demineralization. Front. Bioeng. Biotechnol. 12:1418493. doi: 10.3389/fbioe.2024.1418493
Received: 16 April 2024; Accepted: 19 June 2024;
Published: 22 July 2024.
Edited by:Yangjun Chen, Wenzhou Medical University, China
Reviewed by:Sara Ferraris, Polytechnic University of Turin, Italy
Qiang Gao, Wenzhou Medical University, China
Copyright © 2024 Qin, Yuan, Zhang, Gao and Yu. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.
