Quaternary ammonium compounds to prevent oral biofilm formation

Abstract

Bacteriële besmetting is een voortschrijdend probleem binnen de samenleving. Vooral bacteriën die zijn georganiseerd in een biofilm kunnen resulteren in diverse kostbare en ernstige problemen voor de samenleving. Hoofdstuk 1 geeft een kort overzicht van biofilmformatie en bijbehorende problemen. Er werd toegelicht waarom het lastig is biofilms te bestrijden waarna een materiaal met antimicrobiële eigenschappen werd geïntroduceerd. Quaternaire ammoniumverbindingen (QAC) werden onderzocht om biofilms effectief te kunnen bestrijden. QACs verwerkt in een biomateriaal kunnen biofilms bestrijden door middel van afgifte of door middel van direct contact. Hoofdstuk 2 concentreert zich op antimicrobiële materialen met een QAC. Orale biofilm, bacteriële kolonisatie, is één van de belangrijkste factoren in het ontstaan van cariës. Recente preventieve pogingen hebben zich gericht op het ontwikkelen van materialen met antimicrobiële activiteit door dan wel een antimicrobiële component in de matrix in te mengen of door modificaties van het materiaaloppervlak. Voor het ingemengde antimicrobiële middel geldt dat er eerst een “burst release” van de antimicrobiële stof is, gevolgd door een veel lagere afgifte in de tijd. Dit hoofdstuk bespreekt de literatuur over modificaties die aan het oppervlak worden bevorderd door organosilaanverbindingen of methacrylaat monomeren die quaternair ammonium bevatten als functionele groep en gebruikt kunnen worden in biomedische en tandheelkundige toepassingen. In hoofdstuk 3 werd het antibiofilm effect van een jodide quaternair ammoniummethacryloxy silicaat (IQAMS) gemengd in Transbond XT, een licht uithardend composiet voor het cementeren van orthodontische apparatuur, geëvalueerd. Fouriertransformatie infraroodspectroscopie bevestigde IQAMS-vorming en scanning-elektronenmicroscopie gekoppeld aan energie-dispersieve röntgenspectroscopie liet zien dat de coating met QAC van IQAMS homogeen over het oppervlak en homogeen in het composiet waren verdeeld. Onderzoek met Streptococcus mutans vertoonde een verbeterd antibiofilm effect, veel lagere kolonievormende eenheden (CFU), voor de met IQAMS gecoate composieten dan wanneer IQAMS in het composiet was gemengd. Dit verschil werd toegekend aan de lage beschikbaarheid van quaternaire ammoniumgroepen aan het oppervlak van het composiet na de lichtuitharding wanneer IQAMS werd ingemengd, waardoor het antibiofilm effect werd verminderd. Bovendien leidde het inmengen van IQAMS in het composiet tot een lichte afname van de uiteindelijke hechtingsterkte en afschuifsterkte ten opzichte van het commerciële composiet. Aldus kan het gesynthetiseerde IQAMS als een coating op het composiet dienen als preventieve maatregel bij het gebruik van orthodontische apparatuur. In hoofdstuk 4 zijn de quaternaire ammonium bevattende materialen voor dentale toepassing verder onderzocht. Wanneer adequaat poetsen door gecementeerde orthodontische apparatuur wordt belemmerd, is lokale biofilm accumulatie een veel voorkomend probleem. Om dit probleem aan te pakken, werden polyhydroxyurethaan (PHU) coatings met een quaternair ammoniumzout (QAS) ontwikkeld voor toepassing op roestvrijstalen oppervlakken. Twee hybride polyhydroxyurethanen werden ontworpen waaraan een quaternair ammoniumzout werd gebonden door een sol-gel-proces. Materiaal synthese en het aanbrengen van de coating werd met succes bereikt zoals bevestigd door FTIR-ATR, NMR, XPS en GIXS. De coating was sterk bacteriocide tegen S. mutans door afgifte van antimicrobieel QAS, evenals door het bacteriocide effect bij contact van de S. mutans met de QAS coating. Helaas was het QAS bevattende percolaat ook cytotoxisch voor fibroblasten L929. Om het cytotoxische effect te verminderen werden twee methoden onderzocht: een kortdurende (2 uur) ionenuitwisseling met natriumfosfaat en langdurig (3 dagen) spoelen met gedemineraliseerd water. Geen van de behandelingen beïnvloedde de antimicrobiële eigenschappen van de coating. In tegenstelling tot de kortdurende ionenuitwisselsmethode, verminderde 3 dagen wassen met water de cytotoxiciteit na 7 dagen uitlekken in medium. Concluderend, PHU-QAS coating, indien gespoeld, is een betrouwbare behandeling om antimicrobiële eigenschappen aan roestvrij stalen orthodontische apparatuur te geven. Op basis van de prestaties van QAC bevattende coatings, richt hoofdstuk 5 zich op de opname van QAC in een commercieel dentaal sealant om toegepast te worden als coating op het oppervlak van restauraties. Het doel van deze studie was om een commerciële sealant te evalueren met betrekking tot de mechanische weerstand tegen slijtage door poetsen en de antimicrobiële werking van de sealant wanneer een QAC werd toegevoegd. Tandenpoets cycli, SEM en S. mutans biofilmvorming werden uitgevoerd op 4 oppervlakken: restauratieve composiet Z350 XT, composiet met BisCover sealant, composiet met QAC-coating en composiet met de BisCover sealant die QAC bevat. De morfologie van de gepoetste en niet gepoetste oppervlakken werd kwalitatief vergeleken met SEM en de antimicrobiële werking werd gemeten door biofilm formatie en CFU/cm2 bepaling. De antimicrobiële activiteit van QAC puur was gelijk aan QAC toegepast als een coating en QAC toegevoegd aan BisCover sealant. Na poetsen (vergelijkbaar met 2,5 maand tandenpoetsen) werd de antimicrobiële activiteit verminderd, maar CFU/cm2 van de QAC-coating groep was significant lager dan van de andere oppervlakken. SEM-afbeeldingen lieten zien dat QAC bevattend BisCover beter bestand was tegen poetsen. Hoofdstuk 6 bevat een kritische analyse van de uitgevoerde onderzoeken en licht toe waarom er aanpassingen zijn gedaan in vervolg onderzoeken. Ook aspecten die nog kunnen worden onderzocht, zoals cytotoxiciteit en bacteriële resistentie tegen QAC werden gesuggereerd als vervolgonderzoekBacterial contamination is a topic of great concern for scientific community, especially bacteria organized into biofilms can lead to deleterious and costly problems to society. Materials with antimicrobial activity for dental or medical application came into this scenario as good alternative to tackle bacteria related issues. The antimicrobial activity can be achieved by different manners, this thesis focuses on materials containing quaternary ammonium compounds, known for its efficacy against great variety of bacteria. Also, aiming a future application in dentistry to diminish the risk of caries, the inclusion of quaternary ammonium compounds was assessed in commercialized dental materials. New coatings containing quaternary ammonium were as well developed to be applied on metallic orthodontic devices. These series of studies indicate a possible path for preventing dental caries with the aid of antimicrobial materials