آراتیس | آراتیس تامین کننده مواد دندانپزشکی و تجهیزات دندانپزشکی
دانلود اصل مقاله: Anti-infection mechanism of a novel dental implant made of
مکانیزم ضد عفونت یک ایمپلنت دندانی جدید ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم-مس (TiCu) و مکانیزم آن مرتبط با میکروب شناسی دهان
هویی لیو a,b,1، یولونگ تانگ c,1، شویوان ژانگ b، هوان لیو a,b، زجیان وانگ c، یو لی c، شینلوان وانگ d,e، لینگ رن b,، که یانگ b,، لینگ چین d,e,
a دانشکده علم و مهندسی مواد، دانشگاه علوم و فناوری چین، 96 جینژای رود، هفئی، 230026، چین b مرکز نوآوری شی-چانگشو برای مواد پیشرفته، موسسه تحقیقات فلزات، آکادمی علوم چین، 72 ونهوا رود، شنیانگ، 110016، چین c بخش دندانپزشکی، بیمارستان عمومی منطقه نظامی شمالی، 83 ونهوا رود، شنیانگ، 110016، چین d مرکز تحقیقات و توسعه پزشکی ترجمانی، موسسه مهندسی زیست‌پزشکی و سلامت، موسسات پیشرفته فناوری شنژن، آکادمی علوم چین، شنژن، 518057، چین e آزمایشگاه تحقیقات سیستم اسکلتی-عضلانی بخش ارتوپدی و تروما و آزمایشگاه تحقیقات ترجمانی مواد زیستی و دارویی نوآورانه ارتوپدی موسسه سلامت لی کا شینگ، دانشگاه چینی هنگ کنگ، منطقه ویژه اداری هنگ کنگ چین
اطلاعات مقاله
کلمات کلیدی: ایمپلنت‌های آلیاژ تیتانیوم-مس ضد عفونت میکروب شناسی دهان ایمنی زیستی
چکیده
این کار بر روی مطالعه توانایی ضد عفونت و مکانیزم زیرساختاری یک ایمپلنت دندانی جدید ساخته شده از آلیاژ تیتانیوم-مس (TiCu) متمرکز شده است. به طور کلی، بیشتر مطالعات بر روی ایمپلنت‌های ضد باکتری از یک پاتوژن واحد برای آزمون توانایی ضد عفونت خود با استفاده از مدل‌های حیوانی عفونی استفاده کرده‌اند. با این حال، عفونت‌های مرتبط با ایمپلنت‌های دندانی بیماری‌های چند میکروبی هستند. ما به‌طور نوآورانه مدل کلاسیک لیگاتور در سگ‌ها را با رژیم‌های غذایی غنی از سوکروز ترکیب کردیم تا عفونت‌های دهانی را از طریق باکتری‌های دهانی بومی سگ القا کنیم. توانایی ضد عفونت، زیست‌سازگاری و مکانیزم زیرساختاری ایمپلنت TiCu به طور سیستماتیک در مقایسه با ایمپلنت تیتانیوم خالص از طریق بازرسی عمومی، هماتولوژی، تصویرسازی (micro-CT)، میکروب‌شناسی (16S rDNA و متاژنوم)، بافت‌شناسی، و تشخیص یون مس مورد بررسی قرار گرفت. در مقایسه با ایمپلنت Ti، ایمپلنت TiCu پتانسیل‌های ضد عفونت قابل توجهی با زیست‌سازگاری عالی نشان داد. علاوه بر این، مکانیزم ضد عفونت زیرساختاری ایمپلنت TiCu در نظر گرفته شد که شامل حفظ هموستاز میکروبیوتای دهان می‌باشد. مشخص شد که کربوهیدرات‌ها در پلاک‌های تشکیل شده بر روی سطح ایمپلنت TiCu از طریق چرخه اسید تری‌کربوکسیلیک (TCA) متابولیزه می‌شوند، که از تشکیل محیط اسیدی جلوگیری کرده و تجمع اسیدوژن‌ها و پاتوژن‌ها را مهار می‌کند و به این ترتیب تعادل میکروفلورا بین باکتری‌های هوازی و بی‌هوازی را حفظ می‌کند.
1. مقدمه
ایمپلنت‌های دندانی یک گزینه محبوب برای جایگزینی دندان‌های از دست رفته هستند [1]. به طور جهانی، سالانه 10 میلیون ایمپلنت دندانی برای درمان‌های کلینیکی استفاده می‌شود [2]. با این حال، عفونت‌های مرتبط با ایمپلنت‌ها همچنان چالش‌های حیاتی در کلینیک باقی مانده‌اند. تقریباً 80٪ از بیماران با ایمپلنت‌ها گزارش شده است که مبتلا به موکوزیت پری-ایمپلنت شده‌اند، و پری-ایمپلنتیتیس در 28-77٪ از بیماران رخ داده است [3]. دلایل اصلی این عفونت‌ها سرعت بیشتر تشکیل بیوفیلم میکروبی نسبت به یکپارچگی بافت‌ها بر روی سطح ایمپلنت‌ها است [4]. در محیط دهان، میکروارگانیسم‌ها از مایعات دهانی به راحتی به سطوح ایمپلنت‌ها متصل می‌شوند، از جمله بزاق و مایع شیار لثه‌ای. سپس یک لایه محکم از باکتری‌ها به همراه گلیکوپروتئین‌ها و پلی‌ساکاریدهای ترشح شده تشکیل می‌شود که به عنوان بیوفیلم‌ها شناخته می‌شوند [5]. بیوفیلم‌ها، به ویژه آن‌هایی که حاوی پاتوژن‌ها هستند، ممکن است به عفونت‌های پایدار پری-ایمپلنت منجر شوند [6]. بنابراین، یکی از راهبردهای ایده‌آل برای مبارزه با عفونت‌های مرتبط با ایمپلنت‌ها، معرفی عملکردهای ضد باکتری به طراحی و ساخت ایمپلنت‌ها، شامل تحویل آنتی‌بیوتیک‌ها یا یون‌های فلزی از طریق سطوح ایمپلنت‌ها [7,8] یا آلیاژهای ضد باکتری [9,10] است. قبلاً، ما یک آلیاژ تیتانیوم-مس چند منظوره با پتانسیل‌های استخوان‌زایی و ضد باکتری توسعه دادیم [11]. آلیاژ TiCu به طور موثری تشکیل بیوفیلم را در شرایط آزمایشگاهی مهار کرد و نرخ‌های ضد باکتریایی 99.5٪ و 90.0٪ را به ترتیب در برابر S. aureus، یک پاتوژن ارتوپدی شناخته شده [12]، و S. mutans، یک پاتوژن دهانی [13]، نشان داد. یک مطالعه اولیه نیز تایید کرد که سطوح ایمپلنت‌های TiCu دارای توانایی‌های ضد عفونی و استخوان‌زایی عالی هستند [14].
تعداد قابل توجهی از محققان بر روی کشف عملکردهای ضد عفونی ایمپلنت‌ها در مدل‌های حیوانی متمرکز شده‌اند. توانایی ضد عفونی Zn-Cu با استافیلوکوکوس اورئوس مقاوم به متی‌سیلین در فمورهای موش ارزیابی شد [10]. پوشش‌های حاوی سیپروفلوکساسین بر روی تیتانیوم متخلخل با P. aeruginosa در بافت‌های زیر پوستی موش برای بررسی عفونت کاشته شدند [15]. ژو و همکاران از باسیل سل برای القای بیماری سل استخوان و مفصل در خرگوش‌های نیوزیلندی استفاده کردند و کارآیی درمانی اسکافولدهای هیدروکسی‌آپاتیت حاوی دارو را آزمایش کردند [16]. با این حال، این مدل‌های پاتوژن واحد نتوانستند اثر میکروبیوم دهان متنوع بر عفونت‌های پری-ایمپلنت را نشان دهند. به ویژه، حفره دهانی حاوی بیش از 700 گونه باکتریایی است [17]، و عفونت‌های پری-ایمپلنت بیماری‌های چند میکروبی هستند که به شدت با هموستاز میکروبیوتای دهان مرتبط هستند [18]. علاوه بر این، دیسبیوز میکروبیوتای دهان ممکن است نه تنها بیماری‌های دهانی مانند سرطان سلول دهان [19]، بلکه بیماری‌های سیستمیک از جمله دیابت و بیماری‌های قلبی-عروقی را نیز القا کند [20]. بنابراین، ایجاد یک محیط عفونی دهانی بومی برای ارزیابی اثر ایمپلنت‌های ضد عفونی بر میکروبیوتای دهان بسیار مطلوب یا معنادار است [21].
توالی‌یابی ژن 16S rRNA و تحلیل متاژنومیک به طور گسترده‌ای برای تحلیل ترکیب و پتانسیل‌های عملکردی میکروبیوتای دهان استفاده شده است [22]. مشخص شده است که تحلیل 16S rRNA ترکیب میکروبیوتای دهان را به طور کارآمد روشن می‌کند و می‌تواند اثر ایمپلنت‌ها بر تنوع میکروبیوتا را ارزیابی کند. متاژنومیک، که تحلیل ژنوم کامل میکروارگانیسم‌ها در یک جامعه پیچیده است، می‌تواند پتانسیل‌های عملکردی و تعاملات میکروبی بین میکروارگانیسم‌ها را آشکار سازد. این دو روش برای بررسی اثرات بالقوه مواد ضد عفونی بر هموستاز میکروبیوتای دهان و مکانیزم‌های زیرساختاری آن‌ها ضروری هستند.
این مطالعه با هدف ارزیابی توانایی ضد عفونت، زیست‌سازگاری، و مکانیزم زیرساختاری یک ایمپلنت دندانی جدید ساخته شده از آلیاژ TiCu در یک مدل سگ کلاسیک لیگاتور و رژیم غذایی غنی از سوکروز انجام شد. توانایی ضد عفونت ایمپلنت‌های TiCu از طریق بازرسی عمومی، هماتولوژی، و تصویرسازی (micro-CT) ارزیابی شد. زیست‌سازگاری آن‌ها از طریق تحلیل میکروب‌شناسی (توالی‌یابی ژن 16S rDNA و تحلیل متاژنومیک) و بافت‌شناسی مورد بررسی قرار گرفت. به علاوه، تشخیص یون مس در میکروب‌های دهانی و مایعات بدنی انجام شد تا اثر بالقوه یون‌های مس بر میکروب‌های دهانی ارزیابی شود. به طور کلی، این مطالعه به ارزیابی جامع از اثرات بالقوه ایمپلنت‌های TiCu بر عفونت‌های دهانی و هموستاز میکروبیوتای دهان کمک کرد.
2. مواد و روش‌ها
2.1. مواد و آماده‌سازی ایمپلنت‌ها
ایمپلنت‌های TiCu از آلیاژ تیتانیوم-مس (Ti-3Cu wt%) ساخته شدند. این آلیاژ به طور مستقیم از ترکیبات اولیه تیتانیوم و مس با استفاده از روش ذوب به کمک کوره القایی با فرکانس بالا و ریخته‌گری تولید شد. نمونه‌ها به شکل استوانه‌ای با قطر 4 میلی‌متر و طول 8 میلی‌متر برش داده شدند. نمونه‌های تیتانیوم خالص تجاری (Ti) نیز به عنوان کنترل آماده شدند.
2.2. ارزیابی توانایی ضد عفونت
برای ارزیابی توانایی ضد عفونت ایمپلنت‌های TiCu، از مدل کلاسیک لیگاتور سگ استفاده شد. سگ‌های بالغ Beagle (نر، وزن 10-12 کیلوگرم) برای آزمایش انتخاب شدند. سگ‌ها تحت شرایط محیطی کنترل شده (دمای 22±2 درجه سانتی‌گراد، رطوبت 55±5%) با دوره‌های روشنایی/تاریکی 12 ساعته نگهداری شدند. تمام مراحل آزمایش مطابق با دستورالعمل‌های مراقبت و استفاده از حیوانات آزمایشگاهی انجام شد.
2.2.1. کاشت ایمپلنت‌ها
ایمپلنت‌های TiCu و Ti در فک پایین سگ‌ها کاشته شدند. پس از بیهوشی، ناحیه مورد نظر با کلرهگزیدین شستشو داده شد و برشی در لثه ایجاد شد تا استخوان آلوئولار نمایان شود. سپس ایمپلنت‌ها در موقعیت‌های از پیش تعیین شده کاشته شدند و بخیه‌های قابل جذب برای بستن لثه استفاده شد.
2.2.2. رژیم غذایی غنی از سوکروز
پس از کاشت ایمپلنت‌ها، سگ‌ها رژیم غذایی غنی از سوکروز دریافت کردند تا عفونت‌های دهانی را القا کنند. این رژیم شامل 10٪ سوکروز در آب آشامیدنی بود و به مدت 12 هفته ادامه یافت.
2.2.3. بازرسی عمومی و هماتولوژی
برای ارزیابی وضعیت کلی سلامتی سگ‌ها، بازرسی عمومی و آزمایش‌های هماتولوژی قبل و بعد از کاشت ایمپلنت‌ها انجام شد. این آزمایش‌ها شامل شمارش سلول‌های خونی، آنالیز بیوشیمیایی سرم، و اندازه‌گیری‌های بالینی دیگر بود.
2.2.4. تصویرسازی micro-CT
برای ارزیابی تراکم استخوان و یکپارچگی بافتی اطراف ایمپلنت‌ها، از تصویرسازی micro-CT استفاده شد. این تکنیک به ما امکان می‌دهد تا ساختارهای استخوانی را با وضوح بالا مشاهده کنیم و تغییرات ایجاد شده توسط ایمپلنت‌های مختلف را مقایسه کنیم.
2.2.5. تحلیل میکروب‌شناسی
برای تحلیل ترکیب میکروبیوتای دهان، نمونه‌های پلاک دهانی از اطراف ایمپلنت‌ها جمع‌آوری شدند. توالی‌یابی ژن 16S rRNA و تحلیل متاژنومیک برای بررسی تغییرات در میکروبیوتای دهان استفاده شد. این تحلیل‌ها به ما امکان می‌دهند تا اثر ایمپلنت‌های TiCu بر ترکیب و تنوع میکروبی را بررسی کنیم.
2.2.6. بافت‌شناسی
برای ارزیابی بافت‌های اطراف ایمپلنت‌ها، برش‌های بافتی از لثه و استخوان‌های اطراف ایمپلنت‌ها تهیه شدند. این برش‌ها با استفاده از رنگ‌آمیزی‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفتند تا وضعیت بافتی و پاسخ ایمنی به ایمپلنت‌ها را ارزیابی کنیم.
2.2.7. تشخیص یون مس
برای ارزیابی اثر یون‌های مس بر میکروب‌های دهانی، غلظت یون‌های مس در پلاک‌های دهانی و مایعات بدنی اندازه‌گیری شد. این اندازه‌گیری‌ها به ما کمک می‌کنند تا اثرات بالقوه ضد باکتریایی یون‌های مس را بررسی کنیم.
3. نتایج
3.1. توانایی ضد عفونت
بازرسی عمومی نشان داد که ایمپلنت‌های TiCu توانایی ضد عفونت قابل توجهی در مقایسه با ایمپلنت‌های Ti دارند. سگ‌هایی که ایمپلنت‌های TiCu دریافت کرده بودند، کمتری علائم عفونت دهانی نشان دادند و تراکم استخوانی اطراف ایمپلنت‌های آن‌ها بیشتر بود.
3.2. زیست‌سازگاری
تحلیل‌های میکروب‌شناسی نشان داد که ایمپلنت‌های TiCu توانایی حفظ هموستاز میکروبیوتای دهان را دارند. توالی‌یابی ژن 16S rRNA و تحلیل متاژنومیک نشان داد که ایمپلنت‌های TiCu ترکیب و تنوع میکروبیوتای دهان را بهبود می‌بخشند و از دیسبیوز جلوگیری می‌کنند.
3.3. مکانیزم زیرساختاری
تحلیل‌های بافت‌شناسی نشان داد که ایمپلنت‌های TiCu موجب تشکیل بافت‌های سالم‌تر و پاسخ ایمنی کمتری می‌شوند. همچنین، تشخیص یون‌های مس نشان داد که غلظت یون‌های مس در پلاک‌های دهانی و مایعات بدنی سگ‌ها کم بوده و تأثیر منفی بر میکروبیوتای دهان نداشته است.
4. بحث
نتایج این مطالعه نشان داد که ایمپلنت‌های TiCu دارای توانایی‌های ضد عفونت و زیست‌سازگاری عالی هستند. مکانیزم زیرساختاری این ایمپلنت‌ها شامل حفظ هموستاز میکروبیوتای دهان و جلوگیری از دیسبیوز می‌باشد. این یافته‌ها نشان می‌دهد که ایمپلنت‌های TiCu می‌توانند به عنوان یک گزینه موثر برای پیشگیری از عفونت‌های مرتبط با ایمپلنت‌های دندانی مورد استفاده قرار گیرند.
5. نتیجه‌گیری
این مطالعه به طور سیستماتیک توانایی ضد عفونت، زیست‌سازگاری، و مکانیزم زیرساختاری ایمپلنت‌های دندانی ساخته شده از آلیاژ TiCu را در یک مدل سگ ارزیابی کرد. نتایج نشان داد که ایمپلنت‌های TiCu پتانسیل‌های ضد عفونت قابل توجهی دارند و می‌توانند هموستاز میکروبیوتای دهان را حفظ کنند. این ایمپلنت‌ها می‌توانند به عنوان یک گزینه موثر برای پیشگیری از عفونت‌های مرتبط با ایمپلنت‌های دندانی مورد استفاده قرار گیرند.
تشکر و قدردانی
نویسندگان از حمایت‌های مالی و تکنیکی ارائه شده توسط دانشگاه علوم و فناوری چین، بیمارستان عمومی منطقه نظامی شمالی، موسسه مهندسی زیست‌پزشکی و سلامت، و دانشگاه چینی هنگ کنگ تشکر می‌کنند.
مترجم: مسعود زوارئی
