Bioactive glasses in air particle abrasion treatment of contaminated implant surfaces

Abstract

The use of dental implants has become an established treatment modality with a predictable survival rate. However, inflammation of peri-implant tissue, peri-implant mucositis, may occur over time due to the establishment of bacterial biofilm on the implant surfaces. If left untreated, the inflammation can extend apically, resulting in a condition called peri-implantitis (PI), which is characterized by submucosal infection and peri-implant bone resorption. Therefore, one of the main objectives of PI therapy is the removal of bacterial biofilm from the implant surface.

This study series aimed to evaluate the effect of bioactive glass (BAG) powder in air particle abrasion treatment of titanium alloy surfaces. A further aim was to study the antibacterial properties of BAG abraded surfaces and to examine the effect of BAG air-abrasion on bacterial biofilm removal on sandblasted and acidetched (SA) titanium alloy surfaces. An additional aim was to study the attachment, viability, and proliferation of human osteoblast-like MC3T3-E1 cells on SA surfaces subjected to BAG air particle abrasion.

The effect of BAG air-abrasion on the antibacterial properties of smooth titanium disc surfaces was evaluated for 45S5 BAG and three novel zinc oxide doped BAGs: Zn4, Zn6, and Zn4Sr8. SA titanium discs were used to assess the BAG air-abrasion effect on surface chemistry, roughness, wettability, and surface free energy. Streptococcus mutans, as well as Fusobacterium nucleatum and Porphyromonas gingivalis dual biofilms, were formed on SA titanium discs. SA discs with biofilms were subjected to BAG air-abrasion and then cultured in an anaerobic chamber for 5 hours for S. mutans and 21 hours for F. nucleatum and P. gingivalis dual biofilms. The efficiency of biofilm removal was evaluated using scanning electron microscopy (SEM) imaging and culturing techniques. The thrombogenicity of the BAG air-abraded discs was assessed spectrophotometrically using whole blood clotting measurement at predetermined time points. The viability and proliferation of pre-osteoblastic MC3T3-E1 cells were evaluated on SA surfaces with and without BAG air-abrasion. The air-abrasion procedures were similar for all experiments. Each titanium alloy disc was air-abraded for 20 seconds, at a 90 angle, 3 mm distance, and 4 bars air pressure.

A statistically significant decrease in the viability and biofilm formation of S. mutans was observed for BAG air-abraded titanium discs. Air particle abrasion with BAG effectively eradicated S. mutans and F. nucleatum and P. gingivalis dual biofilms formed on SA surfaces compared with inert glass air-abrasion. No significant difference was seen in the speed of blood clot formation since complete blood clotting was achieved in 40 minutes on all substrates. Air-abrasion of SA titanium discs with BAG or inert glass significantly reduced surface roughness, enhanced the wettability and surface free energy of the SA surfaces.

MC3T3-E1 cell number was higher for SA surfaces air-abraded with Zn4 BAG or 45S5 BAG than inert glass. Confocal laser scanning microscope images showed that the pre-osteoblast cells did not spread as well on the SA and BAG abraded surfaces as they did on control cover glass discs. However, for 45S5 and Zn4 BAG abraded substrates, cells spread the most within 24 hours and changed their morphology to more spindle-like when cultured further.

It can be concluded that air particle abrasion with BAG has good potential for the treatment of periimplantitis. However, their effectiveness needs to be evaluated in vivo before any definitive conclusion can be made.

<b>Bioaktiiviset lasit kontaminoituneiden implanttipintojen ilmaabraasio käsittelyssä</b>

Hammasimplanttien käytöstä on tullut vakiintunut ja hyväennusteinen hoitomuoto. Hammasimplantteja ympäröivien pehmytkudosten tulehdus, peri-implantti mukosiitti, voi kuitenkin ilmetä implanttien ympärillä bakteereiden muodostaman biofilmin aiheuttamana. Hoitamattomana infektio voi levitä syvemmälle pehmytkudoksiin johtaen peri-implantiitiksi kutsuttuun tilaan, jota karakterisoi ikenen alainen tulehdusreaktio ja implanttia ympäröivän luun resorboituminen. Peri-implantiittihoidon tärkein tavoite on bakteerien muodostaman biofilmin eliminoiminen implantin pinnalta. Tämän tutkimussarjan tavoitteena oli selvittää bioaktiivisella lasijauheella tehdyn ilma-abraasiokäsittelyn vaikutus titaaniyhdisteen pintaan. Tarkoituksena oli myös tutkia bioaktiivisella lasilla hiekkapuhallettujen pintojen antimikrobisia ominaisuuksia sekä selvittää bioaktiivisella lasilla tehdyn hiekkapuhalluksen vaikutus biofilmien poistoon hiekkapuhalletuilta ja happoetsatuilta (SA; sand blasted acid etched) titaanipinnoilta. Tämän lisäksi tarkoituksena oli tutkia ihmisen osteoblastin kaltaisten MC3T3-E1 solujen tarttuminen, elinkyky ja jakautuminen SA -pintaisilla titaaninäytteillä bioaktiivisella lasilla tehdyn hiekkapuhalluskäsittelyn jälkeen.

Bioaktiivisella lasilla tehdyn hiekkapuhalluksen vaikutuksia tasaisen titaanikiekon pinnan antimikrobisiin ominaisuuksiin selvitettiin 45S5 bioaktiivisella lasilla ja kolmella uudella sinkkipitoisella lasilla: Zn4, Zn6, ja Zn4Sr8. SA -pintaisia titaanikiekkoja käytettiin tutkittaessa bioaktiivisella lasilla tehdyn hiekkapuhalluksen vaikutusta pinnan kemialliseen koostumukseen, karheuteen, kostutusominaisuuksiin ja vapaaseen pintaenergiaan. SA -pintaisille titaanikiekoille kasvatettiin sekä S. mutans biofilmi että F. nucleatum ja P. gingivalis kaksoisbiofilmit. Titaanikiekot hiekkapuhallettiin bioaktiivisella lasijauheella, minkä jälkeen kiekot siirrettiin anaerobiseen viljelykammioon 5 tunniksi S. mutans biofilmiä ja 21 tunniksi F. nucleatum ja P. gingivalis kaksoisbiofilmiä tutkittaessa. Biofilmien eliminoituminen selvitettiin pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvista ja viljelytekniikoita käyttäen. Bioaktiivisella lasilla hiekkapuhallettujen SA -pintaisten titaanikiekkojen vaikutus veren hyytymiseen selvitettiin tutkimalla veren adsorbanssia spektrofotometrisesti useissa eri aikapisteissä. MC3T3-E1 pre-osteoblastisolujen elinkyky ja jakautuminen SA -pintaisilla titaaninäytteillä selvitettiin ennen ja jälkeen bioaktiivisella lasilla tehtyä ilma-abraasiokäsittelyä. Ilma-abraasiokäsittelyt tehtiin samalla tavalla kaikissa kokeissa. Titaanikiekot hiekkapuhallettiin 20 sekunnin ajan 90º kulmassa 3 mm etäisyydellä 4 baarin ilmanpainetta käyttäen.

Bioktiivisella lasilla käsitellyillä pinnoilla todettiin tilastollisesti merkitsevä S. mutans bakteerien elinkykyä ja biofilmin muodostumista heikentävä vaikutus. Bioaktiivisella lasilla tehty ilma-abraasio käsittely poisti tehokkaammin sekä S. mutans että F. nucleatum ja P. gingivalis kaksoisbiofilmit SA -pintaisilta titaanikiekoilta inertillä lasilla tehtyyn ilma-abraasio käsittelyyn verrattuna. Käsitellyillä pinnoilla ei havaittu merkitseviä eroja veren hyytymisnopeudessa, sillä veri hyytyi kaikilla testikappaleilla 40 minuutissa. Ilma-abraasio käsittely tasoitti SA -pintaisten titaanikiekkojen pinnan, paransi pintojen kosteutusta ja lisäsi vapaan pintaenergian määrää kaikilla käsittelyillä. MC3T3-E1 solujen määrä oli suurempi Zn4 tai 45S5 bioaktiivisilla laseilla hiekkapuhalletuilla SA -pintaisilla titaanikiekoilla verrattuna inertillä lasilla hiekkapuhallettuihin titaanikiekkoihin

Laserkonfokaalipyyhkäisymikroskooppikuvat osoittivat, että pre-osteoblastit eivät levinneet SA -pintaisilla tai bioaktiivisella lasilla hiekkapuhalletuilla titaanipinnoilla yhtä hyvin kuin kontrollina toimineilla peitelaseilla. Bioaktiivisilla 45S5 ja Zn4 laseilla hiekkapuhalletuilla pinnoilla pre-osteoblastisolut kuitenkin jakautuivat parhaiten 24 tunnin aikana ja muuttuivat viljelyperiodin pidentyessä morfologialtaan kehrämäisiksi.

Tulosten perusteella voidaan todeta, että bioaktiivisella lasilla tehtävä ilma-abraasiokäsittely on potentiaalinen peri-implantiitin hoitomenetelmä. Hoitomenetelmän teho on kuitenkin vielä osoitettava in vivo olosuhteissa ennen lopullisten johtopäätösten tekoa.