電動歯ブラシの振動数に対する線維芽細胞と上皮細胞の実験的および数値的反応

Experimental and numerical responses of fibroblast and epithelial cells to the frequency of electric toothbrush.

抄録

口腔内環境において、線維芽細胞と歯肉上皮細胞はそれぞれ異なる力を受ける。咀嚼、ブラッシング、あるいはインプラントのような歯科材料との力の相互作用により、これらの力が生じる。力に対するこれらの細胞の挙動と反応は、その剛性によって決定されます。さらに、この挙動は機械感覚と組織の発達において極めて重要である。本研究では、ナノ磁石材料を用いて培養した後、線維芽細胞および上皮細胞を磁気ピンセットサイトメトリー検査に供し、粘弾性モデルを用いてその剛性を決定した。単一歯肉細胞の反応は、ゲルポイント周波数と電動歯ブラシの動作周波数における細胞の剛性を決定し、有限要素法（FEM）を採用してモデル化した。上皮細胞と線維芽細胞のゲルポイントは，それぞれ5Hzと3Hzの周波数で起こった．これらの周波数では、細胞の挙動は準固体と流体の両方である。さらに、有限要素解析の結果、ゲルポイントの周波数では、歯ブラシの動作周波数に比べて、細胞がより大きな変形を起こすことが示された。この量は上皮細胞で約331倍大きく、最大7.114μmに達した。さらに、周波数3Hzにおける線維芽細胞の最大変形量は2.981μmであり、これは周波数150Hzの場合の約117倍であった。

In the oral environment, fibroblast and gingival epithelial cells undergo distinct forces. Chewing, brushing, or force interactions with dental materials like implants can produce these forces. The behavior and response of these cells to forces are determined by their stiffness. Additionally, this behavior can be crucial in mechanosensory and tissue development. In this study, after being cultured using nanomagnet materials, fibroblast and epithelial cells were subjected to magnetic tweezers cytometry testing, and the viscoelastic model was used to determine their stiffness. The reaction of single gingival cells was modeled by determining the stiffness of cells at Gel Point frequencies and the operating frequency of electric toothbrushes and employing the Finite Element Method (FEM). Epithelial cell and fibroblast gel points took place at frequencies of 5Hz and 3Hz, respectively. At these frequencies, the behavior of cells is both quasi-solid and fluid. In addition, the findings of the finite element analysis demonstrated that the cells undergo a greater degree of deformation at the Gel point frequency compared to the operating frequency of toothbrushes. This quantity was approximately 331 times greater in epithelial cells, which reached a maximum of 7.114 μm. Additionally, the maximal fibroblast cell deformation at 3Hz frequency was determined to be 2.981 μm, which is roughly 117 times that at 150Hz frequency.