Czwartorzędowa żywica akrylowa zawierająca metakryloksykrzemian amonu

Na całym świecie rośnie zapotrzebowanie na opiekę ortodontyczną. W Stanach Zjednoczonych około jedna piąta młodzieży i nastolatków oraz do 1% młodych dorosłych otrzymuje jakąś formę leczenia ortodontycznego. Jednym z głównych wyzwań w leczeniu ortodontycznym jest długoterminowa stabilność; zdejmowane i stałe elementy ustalające są wymagane do stabilizacji wyrównanego uzębienia i zapobiegania nawrotom po leczeniu. Większość wyjmowanych elementów ustalających jest zbudowana z polimetakrylanów metylu (PMMA), które są utrzymywane przez metalowe klamry wokół zębów bocznych. Ponieważ wyjmowane elementy ustalające są noszone w wilgotnym środowisku wewnątrzustnym o zmiennym pH przez co najmniej rok, bakterie i grzyby mogą gromadzić się na lub w elementach ustalających w postaci wielogatunkowego biofilmu płytki nazębnej, który działa jako rezerwuar tych mikroorganizmów. Może to skutkować zwiększoną częstością występowania próchnicy proksymalnych zębów lub kandydozy jamy ustnej. Ponadto w aparatach ortodontycznych zidentyfikowano inne patogeny oportunistyczne, takie jak oporny na metycylinę Staphylococcus aureus, który może potencjalnie prowadzić do infekcji miejscowej lub ogólnoustrojowej, szczególnie u pacjentów ortodontycznych z powikłanymi schorzeniami. W przypadku dorosłych pacjentów mikroorganizmy jamy ustnej pochodzące z wyjmowanych aparatów akrylowych są związane z bakteryjnym zapaleniem wsierdzia, zapaleniem płuc, przewlekłą obturacyjną chorobą płuc i infekcją żołądkowo-jelitową. Produkcja lotnych związków zapachowych przez skolonizowane mikroorganizmy również przyczynia się do cuchnącego oddechu, który wpływa na komunikację i samopoczucie psychiczne człowieka.

Nagromadzenie biofilmu płytki bakteryjnej na ruchomych aparatach ortodontycznych i elementach ustalających jest zwykle kontrolowane za pomocą środków mechanicznych i chemicznych. Pomimo swojej skuteczności, procedury te wymagają ścisłej współpracy ze strony pacjenta, co może nie być łatwe do osiągnięcia w przypadku osób o ograniczonej zręczności. Dlatego włączenie aktywności przeciwbakteryjnej do ortodontycznej żywicy akrylowej w celu zmniejszenia biofilmu płytki nazębnej jest wysoce pożądane. Konwencjonalne podejścia przeciwdrobnoustrojowe oparte na PMMA opierają się na wypłukiwaniu środków przeciwdrobnoustrojowych o małej masie cząsteczkowej (np. chlorheksydyny) do środowiska wewnątrzustnego, nałożenie antybakteryjnej powłoki na powierzchnię materiału czy wprowadzenie antybakteryjnych nanocząsteczek srebra do żywicy PMMA. Polimery przeciwdrobnoustrojowe szybko stają się nową klasą biomateriałów, które można funkcjonalizować i wiązać z materiałami oraz zabijać drobnoustroje bez uwalniania biocydów. W przypadku metakrylanów stworzono anionowe i fosforanowane polimery PMMA, które mogą kopolimeryzować z PMMA, tworząc żywice akrylowe o trwałych, niewymuszających właściwościach przeciwdrobnoustrojowych.

Polimery kationowe zawierające czwartorzędowe grupy amoniowe i fosfoniowe wykazują działanie przeciwdrobnoustrojowe zabijające kontakt. Przeciwdrobnoustrojowa i przeciwgrzybicza kationowa czwartorzędowa cząsteczka metakryloksykrzemianu amoniowego (QAMS) została zsyntetyzowana w reakcji zol-żel pomiędzy tetraalkoksysilanem i dwoma trialkoksysilanami. Zawierająca metakryloksylową grupę funkcyjną i długi łańcuch węglowy C-18, cząsteczka QAMS jest rozpuszczalna w monomerze MMA i została włączona do ortodontycznej żywicy akrylowej PMMA. Kopolimeryzowana żywica akrylowa QAMS wykazała lepszą odporność na pękanie bez niekorzystnego wpływu na moduł sprężystości przy zginaniu i wytrzymałość akrylu ortodontycznego. We wcześniejszych badaniach in vitro stwierdzono, że ortodontyczne żywice akrylowe zawierające 4-6% QAMS mają właściwości przeciwdrobnoustrojowe in vitro natychmiastowej dyfuzji, a także zabijają kontaktowo, gdy były testowane na Streptococcus mutans, Actinomyces naeslundii i Candida albicans. Aby zbadać trwałość przeciwdrobnoustrojową żywicy akrylowej zawierającej QAMS, próbki poddano starzeniu w wodzie przez 3 miesiące przed oceną ich aktywności przeciwbakteryjnej. Nawet po 3 miesiącach starzenia w wodzie, w którym wszelkie szczątkowe skutki zabijania dyfuzyjnego zostałyby całkowicie wyeliminowane, ortodontyczna żywica akrylowa zawierająca QAMS nadal wykazywała działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko biofilmom jednego gatunku wytworzonym z trzech drobnoustrojów. Polimery przeciwdrobnoustrojowe przeznaczone do zastosowań biomedycznych powinny być również minimalnie cytotoksyczne dla tkanek gospodarza. W poprzednim badaniu żywotność odontoblastopodobnej linii komórkowej pochodzącej z mysiej brodawki zębowej badano przez wystawienie tych komórek na ortodontyczną żywicę akrylową zawierającą QAMS. Wyniki testów żywotności komórek wykazały, że ortodontyczna żywica akrylowa zawierająca QAMS jest względnie niecytotoksyczna. Akryl ortodontyczny zawierający QAMS otrzymał zezwolenie 510(K) na sprzedaż wydane przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA). Niemniej jednak brakuje badań klinicznych, które wykazałyby potencjał przeciwdrobnoustrojowy in vivo akrylu ortodontycznego zawierającego QAMS na wielogatunkowych biofilmach.

Chociaż opracowano różne wielogatunkowe modele biofilmu w jamie ustnej, które przyczyniły się do zrozumienia adhezji drobnoustrojów wewnątrzustnych i tworzenia biofilmu, modele te mają wady polegające na tym, że jest mało prawdopodobne, aby odtwarzały zmienność i dynamikę biofilmu płytki nazębnej in vivo. Oprócz różnic w charakterystyce strukturalnej między biofilmami in vitro i in vivo, rzadko bierze się pod uwagę obecność mechanizmów obronnych gospodarza, takich jak peptydy przeciwdrobnoustrojowe pochodzące ze śliny, w wielogatunkowych modelach biofilmu in vitro. W ludzkiej mikroflorze jamy ustnej zidentyfikowano ponad 600 gatunków drobnoustrojów, z których około 280 wyizolowano w hodowli. Zatem profile biofilmu płytki nazębnej są unikalne wśród osobników, modulowane przez różne czynniki środowiskowe, jak również zmienne sygnały wykrywania kworum pochodzące z sąsiednich mikroorganizmów. Te zakłócające czynniki mogą osłabiać skuteczność polimerów przeciwdrobnoustrojowych in vivo. W związku z tym celem niniejszego randomizowanego badania klinicznego było określenie skuteczności przeciwdrobnoustrojowej in vivo zatwierdzonego przez FDA akrylu ortodontycznego zawierającego QAMS przy użyciu wykonanych na zamówienie wyjmowanych elementów ustalających Hawley, które były noszone wewnątrzustnie przez zrekrutowanych pacjentów w celu stworzenia 48-godzinnej wielogodzinnej biofilmy płytki nazębnej gatunków. Ze względu na przewidywaną dużą zmienność składu mikrobiologicznego poszczególnych biofilmów płytki nazębnej, w celu zmniejszenia zmienności międzyosobniczej zastosowano konstrukcję z podzielonymi ustami, stosując procedury mające na celu zminimalizowanie niepożądanych efektów przeniesienia. Badana hipoteza zerowa głosiła, że ​​nie ma różnicy w aktywności przeciwdrobnoustrojowej między ortodontyczną żywicą akrylową niezawierającą QAMS i zawierającą QAMS na biofilmach jamy ustnej hodowanych in vivo u ludzi.