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Biomed Mater.2021 Apr;doi: 10.1088/1748-605X/abf88d.Epub 2021-04-15.


Mesoporous zirconia surfaces with anti-biofilm properties for dental implants.

  • Agnese D'Agostino
  • Francesca Tana
  • Alessandro Ettorre
  • Matteo Pavarini
  • Andrea Serafini
  • Andrea Cochis
  • Alessandro Calogero Scalia
  • Lia Rimondini
  • Elvira De Giglio
  • Stefania Cometa
  • Roberto Chiesa
  • Luigi De Nardo
PMID: 33857927 DOI: 10.1088/1748-605X/abf88d.


オッセオインテグレーションされた歯科インプラントに抗菌性を付与する細胞適合性のある生物活性表面処理は,細菌によるインプラント周囲炎を予防するために非常に求められている。ここでは,ガリウム(Ga)を添加したジルコニア(ZrO2)をベースにした新しいメソポーラスコーティングに注目し,その抗菌性とオッセオインテグレーションの促進効果を利用する。ZrO2膜は、Pluronic F127をテンプレート剤として用いたゾルゲル合成法で得られ、Gaのドーピングは硝酸ガリウム水和物を用いて行った。XPSおよびGDOESによる化学的特性評価により、Gaが効果的に導入されていることが確認された。 次に、TEMおよびSAEDによるコーティングの形態および構造分析を行ったところ、メソポーラス構造と正方晶ZrO2相の両方が効果的に安定化されていることが明らかになった。試料の細胞適合性は、歯肉繊維芽細胞と骨芽細胞の前駆細胞を直接コーティングして培養したところ、ポリスチレン上で培養した対照群と同等の代謝活性と形態を示した。Gaの存在は,付着した口腔内病原菌であるPorphyromonas gingivalisおよびAggregatibacter actinomycetemcomitansの代謝活性を,未処理のバルクジルコニアと比較して有意に低下させた(p<0.05)。反対に,Gaイオンは口腔内常在菌であるStreptococcus salivariusの代謝を有意に低下させなかった(p>0.05)ことから,選択的な抗病原菌活性が示唆された。最後に、細胞と細菌を同じ環境で培養する共培養法により、コーティング剤が細胞を細菌の感染から守る能力があることが証明された。以上のように,今回開発したコーティング剤は,要求された抗菌性および細胞適合性を満たすだけでなく,インプラント歯科分野におけるインプラントデバイスの改良のための有望な候補であることが示された。

Cytocompatible bioactive surface treatments conferring antibacterial properties to osseointegrated dental implants are highly requested to prevent bacteria-related peri-implantitis. Here we focus on a newly designed family of mesoporous coatings based on zirconia (ZrO2) microstructure doped with gallium (Ga), exploiting its antibacterial and pro-osseo-integrative properties. The ZrO2 films were obtained via sol-gel synthesis route using Pluronic F127 as templating agent, while Ga doping was gained by introducing gallium nitrate hydrate. Chemical characterization by means of XPS and GDOES confirmed the effective incorporation of Ga. Then, coatings morphological and structural analysis were carried out by TEM and SAED unveiling an effective stabilization of both the mesoporous structure and the tetragonal ZrO2 phase. Specimens' cytocompatibility was confirmed towards gingival fibroblast and osteoblasts progenitors cultivated directly onto the coatings showing comparable metabolic activity and morphology in respect to controls cultivated on polystyrene. The presence of Ga significantly reduced the metabolic activity of the adhered oral pathogens Porphyromonas gingivalis and Aggregatibacter actinomycetemcomitans in comparison to untreated bulk zirconia (p<0.05); on the opposite, Ga ions did not significantly reduce the metabolism of the oral commensal Streptococcus salivarius (p>0.05) thus suggesting for a selective anti-pathogens activity. Finally, the coatings' ability to preserve cells from bacterial infection was proved in a co-culture method where cells and bacteria were cultivated in the same environment: the presence of Ga determined a significant reduction of the bacteria viability while allowing at the same time for cells proliferation. In conclusion, the here developed coatings not only demonstrated to satisfy the requested antibacterial and cytocompatibility properties, but also being promising candidates for the improvement of implantable devices in the field of implant dentistry.

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