STUDY OF HYDROPHILICITY AND FREE SURFACE ENERGY OF PHOTOPOLYMER RESINS IN A COMPARATIVE ASPECT

ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОФИЛЬНОСТИ И СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ СМОЛ В СРАВНИТЕЛЬНОМ АСПЕКТЕ

Научная статья

Эртесян А.Р.^1, *, Садыков М.И.², Нестеров А.М.³

¹ ORCID: 0000-0003-3541-9971;

² ORCID: 0000-0003-1986-8996;

³ ORCID: 0000-0002-4187-4375;

^{1, 2, 3} Самарский государственный медицинский университет, Самара, Россия

* Корреспондирующий автор (albertertesyan[at]gmail.com)

Аннотация

За микробиологическую «привлекательность» поверхностей съемных протезов отвечают два основных свойства: гидрофильность и свободная поверхностная энергия. В этом исследовании изучалось, являются ли зубные протезы, изготовленные из фотополимерной смолы, более благоприятными для этих поверхностных свойств, чем акриловые пластмассы. Поверхностная гидрофильность и свободная поверхностная энергия 50 стандартизированных образцов пластмассы определялись путем измерения угла контакта и поверхностного натяжения. В обеих экспериментальных установках сравнивались поверхности акриловых пластмасс Фторакс, Rapid Simplified и фотополимерных смол для SLA печати на 3D принтере Denture 3D+, Dental Pink и Denture Base. Эти данные были проанализированы с помощью ANOVA вместе с тестом Тьюки или играми‐Тест Хауэлла. Все образцы из фотополимерных смол имели более низкие средние значения гидрофильности и свободной поверхностной энергии, чем акриловые пластмассы, за исключением образов Dental Pink. Поверхностные свойства фотополимерных смол для 3D печати делают поверхность съемного протеза менее «привлекательным» для микробной колонизации в сравнении с акриловыми пластмассами.

Ключевые слова: полный съемный пластиночный протез; гидрофильность; свободная поверхностная энергия; 3D печать; стереолитография; SLA; фотополимерная смола; акриловая пластмасса; аддитивные технологии.

STUDY OF HYDROPHILICITY AND FREE SURFACE ENERGY OF PHOTOPOLYMER RESINS IN A COMPARATIVE ASPECT

Research article

Ertesyan A.R.^1, *, Sadykov M.I.², Nesterov A.M.³

¹ ORCID: 0000-0003-3541-9971;

² ORCID: 0000-0003-1986-8996;

³ ORCID: 0000-0002-4187-4375;

^{1, 2, 3} Samara State Medical University, Samara, Russia

* Corresponding author (albertertesyan[at]gmail.com)

Abstract

Two main properties are responsible for the microbiological attractiveness of the surfaces of removable dentures: hydrophilicity and free surface energy. This study examined whether dentures made from photopolymer resin are more favorable for these surface properties than acrylic resins. The surface hydrophilicity and free surface energy of 50 standardized plastic specimens were determined by measuring the contact angle and surface tension. In both experimental setups, the surfaces of Ftorax, Rapid Simplified acrylics and Denture 3D +, Dental Pink and Denture Base photopolymer resins for SLA printing on a 3D printer were compared. These data were analyzed by ANOVA in conjunction with the Tukey test or the Howell test games. All photopolymer resin samples had lower average hydrophilicity and free surface energy than acrylic resins, with the exception of the Dental Pink designs. The surface properties of photopolymer resins for 3D printing make the surface of removable dentures less attractive for microbial colonization compared to acrylic resins.

Keywords: complete removable plate prosthesis; hydrophilicity; free surface energy; 3D printing; stereolithography; SLA; photopolymer resin; acrylic plastic; additive technologies.

Введение

Микроорганизмы, колонизирующие зубные протезы, связаны не только с местным воспалением слизистой оболочки, кариесом [3] и периодонтитом зубов [4], но и с диссеминированными инфекциями [7]. Аспирированный зубной налет вызывает пневмонию [5] и поэтому может представлять серьезную угрозу здоровью пациентов со сниженным иммунитетом [6]. Среди множества возможных физико-химических свойств, влияющих на прикрепление микроорганизмов к поверхностям съемных протезов, наиболее важными являются гидрофильность, гидрофобность и свободная поверхностная энергия [8], [10].

В настоящее время большинство зубных протезов изготавливается из акриловых пластмасс, они гидрофильны и обладают высоким количеством свободной поверхностной энергии [9]. Однако базовые материалы зубных протезов содержат множество добавок, таких как инициаторы полимеризации, ускорители, сшивающие агенты, наполнители и красители, каждый из которых влияет не только на физические, но и на его химические свойства [1], [2].

Однако следует отметить, что образование гранул гликопротеина in vivo является предшественником микробной адгезии. Приобретенная пелликула уменьшает различия в смачиваемости материала и свободной поверхностной энергии, состав пелликулы зависит от материала, на котором она образуется. Благодаря этой взаимосвязи состав материала может косвенно влиять на адгезию микроорганизмов.

Целью данного исследования явилось изучение гидрофильности и свободной поверхностной энергии на образцах из акриловых пластмасс и фотополимерных смол.

Материалы и методы исследования

Для определения гидрофильности и свободной поверхностной энергии использовали прямоугольные образцы базисной пластмассы размером 39 × 8 × 4 мм.

Всего было проанализировано 50 образцов, разделенных на 5 групп (10 образцов в каждой группе). Группы 1 и 2 были представлены акриловыми базисными пластмассами горячего отверждения Фторакс компании «Стома» (Украина), Rapid Simplified компании «Vertex-Dental B.V.» (Нидерланды). Группы 3, 4 и 5 были представлены фотополимерными смолами для SLA печати на 3D принтере Denture 3D+ компании «NextDent B.V.» (Нидерланды), Dental Pink компании «HARZ Labs» (Россия) и Denture Base компании «Formlabs» (США).

По заранее созданным силиконовым формам были изготовлены восковые композиции испытуемых образцов, которые гипсовали в кювету с применением медицинского гипса 4 класса. В эксперименте образцы из пластмассы Rapid Simplified и Фторакс готовили по традиционной методике, замешивали и паковали в кювету в строгом соответствии с инструкцией и алгоритмом лабораторного изготовления съёмных протезов с пластмассовым базисом.

Образцы из фотополимерных смол Denture 3D+, Dental Pink и Denture Base были напечатаны стериолитографическим (SLA) методом на 3D принтере по заранее подготовленным STL (формат файла) файлам, в строгом соответствии с инструкцией производителя и алгоритмом печати на 3D принтере.

Перед анализом образцы хранили в 100 мл деионизированной воды в течение 7 дней при температуре 21°С в темноте. После окончания срока хранения каждый образец извлекали из контейнера щипцами, чтобы избежать загрязнения поверхности, и образцы высушивали бумажным полотенцем в течение 1 минуты.

Гидрофильность оценивали путем измерения угла соприкосновения воды с образцами. Для этого в Contact Angle Meter DSA25 автоматически наносились капли деионизированной воды, а угол поверхности капли автоматически измерялся системой анализа формы капли CONTACT ANGLE MEASUREMENT SYSTEM (Krüss GmbH, Гамбург, Германия). Наибольший угол контакта с водой указывал на высокую степень гидрофильности поверхности.

Для определения свободной поверхностной энергии были проведены измерения силы контакта капли 99,7% толуола и поверхности образцов, затем свободная поверхностная энергия была рассчитана с помощью программного обеспечения Drop Shape Analysis 1.51 (Krüss GmbH, Гамбург, Германия). Для свободной поверхностной энергии важное значение постулируется как 50 МДж/м².

Полученные данные были проанализированы с использованием IBM SPSS Statistics 22 (IBM, Armonk, NY, USA) и R 3.3.1 (R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria). Непрерывные измерения были описаны как средние значения и стандартные отклонения. Для проверки нормального распределения данных использовали тест Шапиро‐Уилка. Для определения наличия статистически значимых различий между исследуемыми группами и контрольной группой проводили 1-way ANOVA в сочетании с тестом Тьюки. Уровень значимости для статистических тестов был установлен на уровне α = 0,05.

Результаты исследования

Средние значения углов соприкосновения воды (гидрофильность) с образцами варьировались от 84,27° (образцы Фторакс) до 88,53° (образцы Dental Pink).

Значения свободной поверхностной энергии всех образцов находилась в пределах от 31,12±1,12 до 43,07±1,78 МДж/м² (средние значения), за исключением образцов из Dental Pink, для которых свободная поверхностная энергия была примерно в два раза выше 68,10±3,02 МДж/м². В таблице 1 представлен обзор средних углов соприкосновения воды (гидрофильность) и образцов, из акриловой и фотополимерной пластмасс.

 

Таблица 1 – Показатели угла соприкосновения воды (гидрофильность) и свободной поверхностной энергии акриловых пластмасс и фотополимерных смол

Группа	Образец	Средний угол соприкосновения воды, °	Поверхностная энергия, МДж/м2
1	Фторакс	84,27±3,44	43,07±1,78
2	Rapid Simplified	81,17±4,25	39,12±2,42
3	Denture 3D+	70,41±2,32	31,52±1,19
4	Dental Pink	88,53±6,48	68,10±3,02
5	Denture Base	72,85±8,97	31,12±1,12

Примечание: при p <0,05.  

Образцы Dental Pink имели наиболее гидрофильную поверхность 88,53±6,48°, а наименее гидрофильную поверхность в группе фотополимерных смол имели образцы Denture 3D+ и Denture Base, 70,41±2,32° и 72,85±8,97° соответственно.

В группе акриловых пластмасс горячей полимеризации наибольшей гидрофильностью обладали образцы из Фторакса, средний угол соприкосновения составил - 84,27±3,44°, а наименее гидрофильные образцы Rapid Simplified – 81,17±4,25°.

Образцы из фотомолимерной смолы Dental Pink были единственными образцами со значительно более высокой свободной поверхностной энергией по сравнению с другими образцами и составили 68,10±3,02 МДж/м². В группе фотополимерных смол наименьшим значением свободной поверхностной энергии обладали образцы из Denture Base - 31,12±1,12 МДж/м², а для Denture 3D+ - 31,52±1,19 МДж/м². В группе акриловых пластмасс наибольшее значение поверхностной энергии составило - 43,07±1,78 МДж/м² для Фторакса, а наименьшее значение для образцов из Rapid Simplified - 39,12±2,42 МДж/м².

Выводы

Поверхностная гидрофильность важна для микробной адгезии главным образом на очень гладких поверхностях пластмассы, гидрофильные поверхностные свойства снижают адгезию Candida albicans и бактериальных клеток. Помимо гигиенического значения, гидрофильность поверхности может играть важную роль в фиксации съемных протезов. В настоящем исследовании все образцы из фотополимерных смол для 3D печати, за исключением Dental Pink, были статистически значимо менее гидрофильными, чем акриловые пластмассы.

Поверхности со значениями свободной энергии ниже порога 50 МДж/м² кажутся значительно менее «привлекательными» для микробной адгезии.

Таким образом, поверхностные свойства фотополимерных смол для 3D печати делают поверхность съемного протеза менее привлекательными для микробной колонизации в сравнении с акриловыми пластмассами.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Эртесян А. Р. Обзор технологий 3D - печати в стоматологии / А. Р. Эртесян, М. И. Садыков, А. М. Нестеров // Медико-фармацевтический журнал «ПУЛЬС». - 2020 - Том. 22. - № 10. - С. 15 -18.
2. Эртесян А. Р. Обзор биосовместимых фотополимерных смол для съемного протезирования / А. Р. Эртесян, М. И. Садыков, А. М. Нестеров // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики: Серия «Естественные и Технические науки». – 2020. – №11. – С. 205-208. DOI37882/2223–2966.2020.11.3
3. Gendreau L. Epidemiology and etiology of denture stomatitis / L. Gendreau, G. L. Zvi // Journal of Prosthodontics: Implant, Esthetic and Reconstructive Dentistry. – 2011. - № 4. – P. 251-260.
4. Nikawa H. Denture plaque - past and recent concerns / H. Nikawa, H. Taizo, Y. Takaharu // Journal of Dentistry. – 2008. - № 4 – Р. 299-304.
5. Muller F. Oral hygiene reduces the mortality from aspiration pneumonia in frail elders / F. Muller // Journal of dental research. – 2015. - №3. Р. 14-16.
6. Majchrzak K. Comparison of staphylococcal flora in denture plaque and the surface of the pharyngeal mucous membrane in kidney transplant recipients / K. Majchrzak, E. Mierzwinska-Nastalska, A. Chmura // In Transplantation proceedings. – 2018. - Vol. 48. - № 5. – Р. 1590-1597.
7. Von Fraunhofer J. A. Factors involved in microbial colonization of oral prostheses / J. A. Von Fraunhofer, Z. G. Loewy // General dentistry. – 2009. – № 2. – Р. 136-142.
8. Choi S. Y. Material and feature dependent effects on cell adhesion to micro injection moulded medical polymers / S. Y. Choi, H. Olivier, F. Peter, G. R. Emmanuel // Colloids and Surfaces: Biointerfaces. – 2016. - №145. – Р. 46-54.
9. Yoshijima Y. Effect of substrate surface hydrophobicity on the adherence of yeast and hyphal Candida / Y. Yoshijima, K. Murakami, S. Kayama, D. Liu // Mycoses. – 2016. - № 53(3). – Р. 221-226.
10. Terada A. Bacterial adhesion to and viability on positively charged polymer surfaces / A. Terada, A. Yuasa, T. Kushimoto // Microbiology. – 2008. - №152(12). – Р. 3575-3583.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ertesyan A. R. Obzor tehnologij 3D - pechati v stomatologii [Overview of 3D printing technologies in dentistry] / A. R. Ertesyan, M. I. Sadykov, A. M. Nesterov // Mediko-farmacevticheskij zhurnal «PULS». - 2020 - Vol. 22. - № 10. - 15 -18. [in Russian].
2. Ertesyan A. R. Obzor biosovmestimyh fotopolimernyh smol dlja semnogo protezirovanija [Review of biocompatible photopolymer resins for removable prosthetics] / A. R. Ertesyan, M. I. Sadykov, A. M. Nesterov // Sovremennaja nauka: aktual'nye problemy teorii i praktiki: Serija «Estestvennye i Tehnicheskie nauki». – 2020. – №11. – P. 205-208. DOI 10.37882/2223–2966.2020.11.3. [in Russian].
3. Gendreau L. Epidemiology and etiology of denture stomatitis / L. Gendreau, G. L. Zvi // Journal of Prosthodontics: Implant, Esthetic and Reconstructive Dentistry. – 2011. - № 4. – P. 251-260.
4. Nikawa H. Denture plaque - past and recent concerns / H. Nikawa, H. Taizo, Y. Takaharu // Journal of Dentistry. – 2008. - № 4 – Р. 299-304.
5. Muller F. Oral hygiene reduces the mortality from aspiration pneumonia in frail elders / F. Muller // Journal of dental research. – 2015. - №3. Р. 14-16.
6. Majchrzak K. Comparison of staphylococcal flora in denture plaque and the surface of the pharyngeal mucous membrane in kidney transplant recipients / K. Majchrzak, E. Mierzwinska-Nastalska, A. Chmura // In Transplantation proceedings. – 2018. - Vol. 48. - № 5. – Р. 1590-1597.
7. Von Fraunhofer J. A. Factors involved in microbial colonization of oral prostheses / J. A. Von Fraunhofer, Z. G. Loewy // General dentistry. – 2009. – № 2. – Р. 136-142.
8. Choi S. Y. Material and feature dependent effects on cell adhesion to micro injection moulded medical polymers / S. Y. Choi, H. Olivier, F. Peter, G. R. Emmanuel // Colloids and Surfaces: Biointerfaces. – 2016. - №145. – Р. 46-54.
9. Yoshijima Y. Effect of substrate surface hydrophobicity on the adherence of yeast and hyphal Candida / Y. Yoshijima, K. Murakami, S. Kayama, D. Liu // Mycoses. – 2016. - № 53(3). – Р. 221-226.
10. Terada A. Bacterial adhesion to and viability on positively charged polymer surfaces / A. Terada, A. Yuasa, T. Kushimoto // Microbiology. – 2008. - №152(12). – Р. 3575-3583.