Akrylová pryskyřice obsahující kvartérní amoniummethakryloxysilikát

Poptávka po ortodontické péči celosvětově roste. Ve Spojených státech podstupuje nějakou formu ortodontické léčby přibližně jedna pětina dospívajících a dospívajících a až 1 % mladých dospělých. Jednou z hlavních výzev v ortodontické léčbě je dlouhodobá stabilita; Ke stabilizaci vyrovnaného chrupu a prevenci relapsu po léčbě jsou nutné snímatelné a fixní držáky. Většina vyjímatelných držáků je vyrobena z polymethylmethakrylátů (PMMA), které jsou drženy kovovými sponami kolem zadních zubů. Vzhledem k tomu, že odnímatelné držáky se nosí ve vlhkém intraorálním prostředí s kolísajícím pH po dobu alespoň jednoho roku, mohou se bakterie a plísně akumulovat na držákech nebo v nich ve formě vícedruhových plakových biofilmů, které fungují jako rezervoáry těchto mikroorganismů. To může mít za následek zvýšený výskyt proximálního zubního kazu nebo orální kandidózy. Kromě toho byly z ortodontických držáků identifikovány další oportunní patogeny, jako je methicilin-rezistentní Staphylococcus aureus, které mohou potenciálně vést k lokální nebo systémové infekci, zejména u ortodontických pacientů s komplikovanými zdravotními poruchami. U dospělých pacientů byly orální mikroorganismy odvozené z odnímatelných akrylových aparátů zapojeny do bakteriální endokarditidy, pneumonie, chronické obstrukční plicní nemoci a gastrointestinální infekce. Produkce těkavých pachových látek kolonizovanými mikroorganismy rovněž přispívá k halitóze, která ovlivňuje komunikaci a psychickou pohodu člověka.

Akumulace biofilmu mikrobiálního plaku na snímatelných ortodontických aparátech a držákech je obvykle řízena mechanickými a chemickými prostředky. Navzdory své účinnosti vyžadují tyto postupy přísnou compliance pacienta, které nemusí být snadno dosažitelné u osob s omezenou obratností. Proto je vysoce žádoucí začlenění antimikrobiální aktivity do ortodontické akrylové pryskyřice pro dosažení redukce biofilmu plaku. Konvenční antimikrobiální přístupy založené na PMMA jsou založeny na vyplavování antimikrobiálních látek o malé molekulové hmotnosti (např. chlorhexidin) do intraorálního prostředí, aplikace antimikrobiálního povlaku na povrch materiálu nebo zabudování antibakteriálních nanočástic stříbra do PMMA pryskyřice. Antimikrobiální polymery se rychle stávají novou třídou biomateriálů, které lze funkcionalizovat a připoutat k materiálům a zabíjet mikroby bez uvolňování biocidů. Pro methakryláty byly vytvořeny aniontové a fosfátované PMMA polymery, které mohou kopolymerovat s PMMA za vzniku akrylových pryskyřic s trvalými, nevyluhujícími antimikrobiálními vlastnostmi.

Kationtové polymery obsahující kvartérní amoniové a fosfoniové skupiny mají kontaktní antimikrobiální aktivitu. Antimikrobiální a antifungální kationtová kvartérní amoniummethakryloxysilikátová molekula (QAMS) byla syntetizována reakcí sol-gel mezi tetraalkoxysilanem a dvěma trialkoxysilany. Molekula QAMS, která obsahuje methakryloxy funkční skupinu a dlouhý uhlíkový řetězec C-18, je rozpustná v monomeru MMA a byla začleněna do ortodontické akrylové pryskyřice PMMA. Akrylová pryskyřice kopolymerovaná QAMS prokázala zlepšenou lomovou houževnatost bez nepříznivého ovlivnění modulu pružnosti v ohybu a pevnosti ortodontického akrylátu. V předchozích studiích in vitro bylo zjištěno, že ortodontické akrylové pryskyřice obsahující 4–6 % QAMS mají in vitro okamžité difuzní i kontaktně zabíjející antimikrobiální vlastnosti, když byly testovány se Streptococcus mutans, Actinomyces naeslundii a Candida albicans. Pro zkoumání antimikrobiální trvanlivosti akrylové pryskyřice obsahující QAMS byly vzorky před vyhodnocením jejich antimikrobiálních aktivit ponechány stárnout 3 měsíce ve vodě. Dokonce i po 3 měsících stárnutí vodou, kdy by jakékoli zbytkové účinky difuzního zabíjení byly zcela eliminovány, měla ortodontická akrylová pryskyřice obsahující QAMS stále antimikrobiální aktivitu proti jednodruhovým biofilmům generovaným ze tří mikrobů. Antimikrobiální polymery navržené pro biomedicínské aplikace by také měly být minimálně cytotoxické pro hostitelské tkáně. V předchozí studii byla zkoumána životaschopnost buněčné linie podobné odontoblastům odvozené z myší zubní papily vystavením těchto buněk ortodontické akrylové pryskyřici obsahující QAMS. Výsledky testů buněčné životaschopnosti ukázaly, že ortodontická akrylová pryskyřice obsahující QAMS je relativně necytotoxická. Ortodontický akrylát obsahující QAMS získal povolení 510 (K) pro marketing od amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA). Nicméně chybí klinické studie, které by prokázaly in vivo antimikrobiální potenciál ortodontického akrylu obsahujícího QAMS na vícedruhových biofilmech.

Ačkoli byly vyvinuty různé vícedruhové modely orálního biofilmu a přispěly k pochopení intraorální mikrobiální adheze a tvorby biofilmu, tyto modely mají nevýhody v tom, že je nepravděpodobné, že by replikovaly variabilitu a in vivo dynamiku biofilmů plaku. Kromě rozdílů ve strukturálních charakteristikách mezi biofilmy in vitro a in vivo se v modelech vícedruhových biofilmů in vitro zřídka bere v úvahu přítomnost obranných mechanismů hostitele, jako jsou antimikrobiální peptidy odvozené ze slin. V lidské ústní mikroflóře bylo identifikováno více než 600 mikrobiálních druhů, z nichž přibližně 280 druhů bylo izolováno v kultuře. Profily biofilmu plaku jsou tedy mezi jednotlivci jedinečné, protože jsou modulovány různými faktory prostředí a také variabilními signály snímání kvora odvozenými od sousedních mikroorganismů. Tyto matoucí faktory mohou zmírňovat účinnost antimikrobiálních polymerů in vivo. V souladu s tím bylo cílem této randomizované klinické studie určit in vivo antimikrobiální účinnost ortodontického akrylátu obsahujícího QAMS schváleného FDA pomocí na zakázku vyrobených odnímatelných držáků Hawley, které byly rekrutovanými subjekty nošeny intraorálně za účelem vytvoření 48hodinového multi- druhové plakové biofilmy. Vzhledem k očekávané vysoké variabilitě v mikrobiálním složení jednotlivých biofilmů plaku byl použit design s rozdělenými ústy, aby se snížila variabilita mezi subjekty, s postupy, které minimalizovaly nežádoucí účinky přenosu. Testovaná nulová hypotéza byla, že neexistuje žádný rozdíl v antimikrobiálních aktivitách mezi ortodontickou akrylovou pryskyřicí bez QAMS a obsahující QAMS na orálních biofilmech pěstovaných in vivo u lidských subjektů.