DMAHDM w żywicy akrylowej: optymalny dodatek dla protez stomatologicznych

Utrata uzębienia – całkowita lub częściowa – wymaga zastosowania protez dentystycznych przywracających funkcję i estetykę jamy ustnej. Choć protezy wszczepiane na implantach stanowią rozwiązanie idealne, ich wysokie koszty ograniczają dostępność dla wielu pacjentów. Alternatywą pozostaje polimetakrylan metylu (PMMA), szeroko stosowany w protetyce od ponad wieku dzięki korzystnym właściwościom fizycznym i mechanicznym. Mimo licznych zalet, żywice PMMA mają istotne ograniczenia – dynamiczne środowisko jamy ustnej, narażenie na liczne rozpuszczalniki oraz absorpcja płynów ustnych prowadzą do pogorszenia parametrów mechanicznych, w tym wytrzymałości na zginanie, twardości powierzchni i niewystarczającej aktywności przeciwdrobnoustrojowej.

Absorpcja wody przez PMMA zachodzi z powodu polarności cząsteczek żywicy i dyfuzji wody między łańcuchy polimerowe, co powoduje ekspansję materiału i działa jak plastyfikator – obniża wytrzymałość poprzeczną, twardość i granicę zmęczenia, skracając żywotność protezy przez wywoływanie naprężeń wewnętrznych i zwiększone ryzyko pęknięć. Rozpuszczalność żywic bazowych jest zazwyczaj minimalna, ale wynika z wypłukiwania niezareagowanych monomerów i inicjatorów do płynów ustnych, co niekiedy wywołuje reakcje tkanek miękkich. Twardość powierzchni – kluczowy parametr oceny odporności na wciskanie i ścieranie – z czasem ulega degradacji, prowadząc do nasilonego zużycia mechanicznego i chemicznego elementów protezy.

Badacze eksperymentują z modyfikacjami PMMA w celu poprawy właściwości przeciwgrzybiczych i mechanicznych. Jednym z obiecujących dodatków jest dimetylaminoetylo-heksadecylo-dimetakrylan (DMAHDM) – monomer z grupy czwartorzędowych soli amoniowych (QAM) o 16-węglowym łańcuchu alkilowym. DMAHDM wykazuje szerokie spektrum działania przeciwdrobnoustrojowego: jego dodatnio naładowana grupa QAM oddziałuje z ujemnie naładowaną błoną bakteryjną, niszcząc jej integralność i powodując lizę komórki, podczas gdy długi łańcuch alkilowy zwiększa penetrację błony i skuteczność antybakteryjną. Oprócz bezpośredniego niszczenia bakterii, DMAHDM hamuje tworzenie biofilmu przez zapobieganie adhezji drobnoustrojów.

Wcześniejsze badania sugerowały, że wprowadzenie 10% DMAHDM do żywicy dentystycznej obniżało twardość po 24 godzinach przechowywania na sucho w porównaniu do grupy kontrolnej, co może wynikać z niepełnej polimeryzacji i efektu plastyfikującego pozostałego monomeru. Khan i wsp. ocenili połączenie nystatyny z DMAHDM pod kątem właściwości przeciwgrzybiczych i mechanicznych, jednak brakuje kompleksowych danych na temat wpływu DMAHDM (samodzielnie lub z nystatyną) na twardość, sorpcję wody i rozpuszczalność PMMA. Niniejsze badanie wypełnia tę lukę, testując hipotezę zerową, że dodanie DMAHDM (samodzielnie lub z nystatyną) nie wpływa na twardość, rozpuszczalność i absorpcję wody żywicy akrylowej.

Jak zaprojektowano badanie in vitro?

Eksperyment przeprowadzono w Sardar Begum Dental College and Hospital w Peszawarze (Pakistan) przez pięć miesięcy. Przygotowano siedem grup próbek: jedną kontrolną (A) i sześć eksperymentalnych (B1-B3 z samym DMAHDM; C1-C3 z DMAHDM + nystatyna). Do testów twardości użyto po 10 próbek na grupę, natomiast do testów sorpcji wody i rozpuszczalności – po 5 próbek na grupę. Tak dobrana liczebność próby zapewnia wystarczającą moc statystyczną (≥80%) do wykrycia różnic między grupami przy poziomie istotności α=0,05, co jest zgodne z wcześniejszymi badaniami in vitro na żywicach PMMA.

Wykorzystano konwencjonalną żywicę akrylową utwardzaną cieplnie (MEADWAY, Bracon, UK), DMAHDM syntetyzowany z 2-(dimetyloamino)etylo-metakrylanu (DMAEMA) i 1-bromoheksadekanu (BHD; Sigma-Aldrich) w zmodyfikowanej reakcji Menschutkina, proszek nystatyny (500 000 IU; Vltavska, Czechy) oraz etanol bezwzględny (Merck). Synteza DMAHDM polegała na reakcji równomolowych ilości (po 10 mmol) DMAEMA i BHD w 3 g etanolu w szklanym naczyniu przy 70°C przez 24 godziny z ciągłym mieszaniem. Po zakończeniu reakcji rozpuszczalnik usunięto próżniowo, otrzymując osad DMAHDM, którego strukturę potwierdzono spektroskopią (protonowy i węglowy NMR, FT-IR).

Próbki przygotowano w proporcji proszek:ciecz 2,5:1 (w/w) dla grupy kontrolnej. W grupach eksperymentalnych DMAHDM zastępował równoważną objętość monomeru w stężeniach 5%, 10% lub 20% (v/v). Dla grup z nystatyną (C1-C3) dodano 102,99 mg nystatyny do 20,98 g proszku PMMA, mieszając w młynie kulowym (1200 obr./min, 10 minut). Mieszaninę proszku i monomeru pakowano do formy stalowej (wymiary: 12×12×3 mm dla twardości; 10×10×2 mm dla sorpcji/rozpuszczalności zgodnie z ISO 20795-1) w fazie ciasta, zamykano i prasowano hydraulicznie pod ciśnieniem 9,8 MPa przez 5 minut. Formę umieszczano w łaźni wodnej, temperaturę podnoszono stopniowo do 100°C przez 1,5 godziny i utrzymywano przez 30 minut. Po zakończeniu cyklu polimeryzacji formę chłodzono przez noc, a próbki wykańczano węglikiem wolframu i polerowano pumeksem.

Jakie metody zastosowano do oceny właściwości materiału?

Test mikrotwardości Vickersa wykonano za pomocą skalibrowanego testera (Model: FH-002-0001, ZwickRoell, Niemcy) z diamentowym wgłębnikiem piramidy o kącie 136°. Próbki utrzymywano w temperaturze pokojowej przez 24 godziny przed testem. Obciążenie 300 g przykładano przez 10 sekund, a długości przekątnych wgłębienia (d1, d2) mierzono optycznie. Na każdej próbce wykonano 10 wcisków w odstępach ≥3× przekątna i ≥1 mm od krawędzi. Wartość twardości Vickersa (VHN) obliczano według wzoru VH = 1,8544P/d², zgodnie ze specyfikacją ASTM E 384-22, gdzie P to siła obciążenia, a d to średnia przekątna wgłębienia.

Testy sorpcji wody i rozpuszczalności przeprowadzono zgodnie z ISO 20795-1. Próbki przechowywano w eksykatorze z żelem krzemionkowym przy 37°C do uzyskania stałej masy M1 (Δm <0,1 mg/24h). Wysuszone próbki ważono na wadze precyzyjnej i obliczano powierzchnię (mm²) przed zanurzeniem w wodzie destylowanej. Każdą próbkę umieszczano w oddzielnym naczyniu szklanym z 20 mL wody destylowanej i inkubowano przy 37°C przez 30 dni, zmieniając wodę codziennie. Po każdym okresie przechowywania próbki wyjmowano, osuszano bibułą chłonną, wachlowano w powietrzu przez 15 sekund i ponownie ważono (M2). Sorpcję wody (Ws) obliczano w μg/mm² według wzoru Ws = (M2 – M3)/S, gdzie S to powierzchnia próbki. Następnie próbki ponownie suszono do stałej masy M3 zgodnie z metodologią dla M1. Rozpuszczalność (Wsol) obliczano w μg/mm² ze wzoru Wsol = (M1 – M3)/S.

Analizę statystyczną przeprowadzono w SPSS v.22 (IBM Software, 2016). Wykorzystano jednoczynnikową analizę wariancji (ANOVA) do porównań między grupami oraz test post hoc Tukeya (HSD) do identyfikacji różnic parami. Poziom istotności ustalono na p<0,05.

Czy DMAHDM zwiększa twardość żywicy akrylowej?

Jednoczynnikowa ANOVA wykazała istotne różnice w twardości między grupami (p<0,001). Test post hoc Tukeya ujawnił, że wszystkie grupy eksperymentalne (B1-B3, C1-C3) miały wyższy VHN niż kontrola A (p<0,001). Wśród grup eksperymentalnych grupa B1 (5% DMAHDM) osiągnęła najwyższą twardość – istotnie przewyższającą grupy B2, B3, C1, C2 i C3 (wszystkie p<0,001). Między grupami B2, B3, C1, C2 i C3 nie stwierdzono istotnych różnic w twardości.

Średnie wartości VHN wynosiły: grupa A (kontrola) 13,31±1,16; grupa B1 (5% DMAHDM) 18,24±1,35; grupa B2 (10% DMAHDM) 15,46±1,0; grupa B3 (20% DMAHDM) 15,21±1,07; grupa C1 (5% DMAHDM + nystatyna) 15,28±1,05; grupa C2 (10% DMAHDM + nystatyna) 15,34±1,02; grupa C3 (20% DMAHDM + nystatyna) 15,12±1,36. Różnica średnia między grupą B1 a kontrolą A wyniosła –4,93 (95% CI: –6,51 do –3,35, p<0,001), co odpowiada wzrostowi twardości o około 37%.

Wyniki sugerują, że 5% stężenie DMAHDM zapewnia optymalny wzrost twardości powierzchniowej PMMA bez negatywnego wpływu wyższych stężeń. Prawdopodobnie wyższe stężenia DMAHDM (≥10%) działają jak zanieczyszczenia w matrycy żywicy, osłabiając materiał i pogarszając właściwości mechaniczne. Dodanie nystatyny nieznacznie obniżało twardość w porównaniu do samego DMAHDM przy tym samym stężeniu, co może wynikać z braku wiązania chemicznego między nystatyną a matrycą polimerową, prowadząc do potencjalnego wypłukiwania i zmniejszenia spójności materiału.

Jak DMAHDM i nystatyna wpływają na absorpcję wody?

W próbkach niepoddanych starzeniu grupa kontrolna A wykazała najniższą średnią wartość sorpcji wody (9,91±0,86 μg/mm²), natomiast grupa C3 (20% DMAHDM + nystatyna) – najwyższą (13,44±0,24 μg/mm²). Jednoczynnikowa ANOVA wykazała istotne różnice między grupami (p<0,001). Test post hoc Tukeya ujawnił, że grupa A miała istotnie niższą sorpcję niż grupy B2, B3, C2 i C3 (wszystkie p<0,01). Wśród grup z samym DMAHDM, B1 wykazała istotnie niższą sorpcję niż B3 (p<0,001). Dla grup z DMAHDM + nystatyna, C1 była najniższa w porównaniu do C2 (p=0,015) i C3 (p<0,001).

W próbkach po 30 dniach starzenia trend pozostał podobny – jednoczynnikowa ANOVA wykazała istotne różnice (p<0,000). Grupa A ponownie miała najniższą sorpcję (10,04±0,54 μg/mm²), a grupa C3 najwyższą (14,16±0,35 μg/mm²). Post hoc: grupa A istotnie niższa od wszystkich grup eksperymentalnych (p<0,001). Wśród grup z DMAHDM, B1 istotnie niższa niż B3 (p<0,001); wśród grup z DMAHDM + nystatyna, C1 najniższa vs C3 (p<0,001).

Zwiększenie stężenia DMAHDM z 5% do 20% prowadziło do wyższej sorpcji wody zarówno w próbkach świeżych, jak i starzonych. Absorpcja wody w żywicy PMMA wynika z polarności cząsteczek PMMA i dyfuzji wody między łańcuchy polimerowe. Dodanie środka przeciwgrzybiczego zwiększa polarność żywicy, prowadząc do wyższej sorpcji wody, co wpływa na właściwości mechaniczne i powoduje ekspansję żywicy. Chociaż kontrolowana absorpcja wody może kompensować skurcz polimeryzacyjny, nadmierna absorpcja jest szkodliwa – potencjalnie powoduje długoterminowe efekty plastyfikujące i relaksację wewnętrznych naprężeń polimeryzacyjnych.

Wszystkie próbki (kontrolne i eksperymentalne) spełniły normę ISO 1567, według której sorpcja wody dla materiałów bazowych protez nie powinna przekraczać 32 μg/mm³ (22,8 μg/mm²) po tygodniu przechowywania. Wartości sorpcji wody różnych typów żywic zazwyczaj mieszczą się w zakresie 10-32 μg/mm³, co potwierdza spójność użytej żywicy PMMA z wcześniejszymi badaniami.

Czy modyfikacje DMAHDM zwiększają rozpuszczalność materiału?

W próbkach niepoddanych starzeniu grupa eksperymentalna C3 wykazała najwyższą średnią rozpuszczalność (1,31±0,13 μg/mm²), podczas gdy grupa kontrolna A – najniższą (0,67±0,31 μg/mm²). Jednoczynnikowa ANOVA wykazała istotne różnice między grupami (p<0,001). Z analizy post hoc Tukeya wynika, że grupa A miała istotnie niższą rozpuszczalność niż grupa C3 (p<0,001), natomiast nie stwierdzono istotnych różnic względem grup B1, B2, B3 i C2. Grupa C3 wykazała najwyższe wartości rozpuszczalności wśród wszystkich grup (p<0,05).

Dla próbek po 30 dniach starzenia zaobserwowano podobny trend – jednoczynnikowa ANOVA wykazała istotne różnice (p<0,001). Grupa A ponownie miała najniższą rozpuszczalność (0,68±0,04 μg/mm²), a grupa C3 najwyższą (1,26±0,08 μg/mm²). Analiza post hoc ujawniła, że grupa A wykazała istotnie niższą rozpuszczalność niż grupa C3 (p<0,001), przy braku istotnych różnic względem grup B1, B2, B3 i C2. Grupa C3 ponownie osiągnęła najwyższe wartości rozpuszczalności (p<0,001).

Zwiększenie stężenia DMAHDM z 5% do 20% w próbkach niepoddanych starzeniu i starzonych prowadziło do wyższej rozpuszczalności w wodzie. Wśród grup eksperymentalnych próbki z 20% DMAHDM w połączeniu z nystatyną (C3) wykazały najwyższą rozpuszczalność w wodzie, następnie te z 10% DMAHDM + nystatyna (C2). Zwiększona rozpuszczalność może wynikać z obecności nystatyny między łańcuchami polimerowymi żywicy PMMA, co rozdziela łańcuchy i zwiększa przestrzeń między nimi. Rozpuszczalność w wodzie może pochodzić z niezareagowanych związków oraz rozpuszczalności wprowadzonych środków przeciwgrzybiczych. Gdy cząsteczki nystatyny wypłukują się z polimeru, mogą tworzyć pustki absorbujące więcej wody, zwiększając pobór wody i uwalnianie nystatyny.

Mimo to, dodanie DMAHDM samodzielnie lub w połączeniu z nystatyną do 20% wagowych skutkowało minimalną rozpuszczalnością żywicy PMMA. Dodatkowo, wszystkie próbki w grupach kontrolnych i eksperymentalnych spełniły normy ISO 1567 dotyczące rozpuszczalności w wodzie. Można zatem wnioskować, że DMAHDM samodzielnie lub w połączeniu z nystatyną został skutecznie zintegrowany z siecią strukturalną żywicy PMMA.

Co te wyniki oznaczają dla praktyki protetycznej?

Badanie wykazało, że niewielkie ilości środków przeciwdrobnoustrojowych dodanych do żywicy PMMA mogą przynieść korzyści w kontroli mikrobiologicznej przy minimalnym wpływie na właściwości mechaniczne w porównaniu do potencjalnych zalet, szczególnie dla pacjentów z nieodpowiednimi nawykami higienicznymi w zakresie czyszczenia protez. Taka modyfikacja może być szczególnie korzystna dla osób starszych o ograniczonych zdolnościach fizycznych lub poznawczych, u których trudności w utrzymaniu higieny jamy ustnej zwiększają ryzyko rozwoju zapalenia błony śluzowej związanego z protezą.

Optymalne stężenie 5% DMAHDM zapewnia wzrost twardości o około 37% w porównaniu do konwencjonalnej żywicy PMMA, co może przełożyć się na lepszą odporność na ścieranie i dłuższą żywotność protezy. Niemniej jednak, klinicyści muszą być świadomi, że wyższe stężenia DMAHDM (10-20%) oraz dodanie nystatyny zwiększają absorpcję wody i rozpuszczalność materiału. Choć wartości te pozostają w normach ISO 1567, długoterminowe narażenie na środowisko jamy ustnej – z temperaturą, enzymami ślinowymi i tworzeniem biofilmu bakteryjnego – może potęgować te efekty, prowadząc do plastyfikacji żywicy, relaksacji naprężeń wewnętrznych i potencjalnego pogorszenia stabilności wymiarowej protezy.

“Nasze wyniki sugerują, że dodanie niewielkich ilości środków przeciwdrobnoustrojowych do PMMA może oferować korzyści w kontroli drobnoustrojów przy minimalnym wpływie na właściwości mechaniczne w porównaniu do potencjalnych zalet” – piszą autorzy badania. Jednakże podkreślają oni również konieczność optymalizacji stężeń dodatków oraz przeprowadzenia kompleksowych badań w symulowanych warunkach jamy ustnej, aby potwierdzić długoterminową trwałość i funkcjonalność modyfikowanych materiałów.

Dla praktyki klinicznej istotne jest zrównoważenie działania przeciwdrobnoustrojowego z zachowaniem właściwości fizycznych materiału. Protezy z 5% DMAHDM mogą stanowić obiecujące rozwiązanie dla pacjentów o podwyższonym ryzyku infekcji grzybiczych lub bakteryjnych, jednak przed wprowadzeniem do rutynowej praktyki konieczne są dalsze badania in vivo oceniające bezpieczeństwo (w tym cytotoksyczność dla tkanek jamy ustnej), skuteczność przeciwdrobnoustrojową w warunkach klinicznych oraz długoterminową stabilność mechaniczną i estetyczną modyfikowanych protez.

Jakie są kluczowe wnioski z badania?

Wszystkie formuły PMMA modyfikowane DMAHDM zwiększyły twardość w porównaniu do kontroli, przy czym 5% stężenie DMAHDM osiągnęło najwyższe wartości (VHN wyższe o ~37%, p<0,001). Zwiększanie stężenia DMAHDM oraz dodanie nystatyny podnosiło absorpcję wody i rozpuszczalność, co może negatywnie wpływać na długoterminową stabilność materiału. Wszystkie próbki spełniły normy ISO 1567 dotyczące sorpcji wody i rozpuszczalności, co potwierdza skuteczną integrację DMAHDM i nystatyny z siecią strukturalną żywicy PMMA.

Wyniki podkreślają znaczenie optymalizacji stężeń dodatków w celu zrównoważenia właściwości mechanicznych i trwałości materiału w zastosowaniach dentystycznych opartych na żywicach. Przyszłe prace powinny priorytetowo traktować optymalizację stężeń oraz przeprowadzić kompleksowe oceny w klinicznie istotnych symulowanych środowiskach jamy ustnej, aby potwierdzić długoterminową trwałość i funkcjonalność modyfikowanych materiałów. Konieczne są również badania in vivo oceniające biokompatybilność, skuteczność przeciwdrobnoustrojową oraz właściwości estetyczne (kolor, przezierność) modyfikowanych protez przed ich wprowadzeniem do praktyki klinicznej.