Cellular responses to 3D-printed PEEK based implant materials

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Branco, Rafaela Lopes
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/61592
Resumo: Objectives: The aim of this study was to characterize and compare the behavior of human gingival fibroblasts in contact with novel 3D-printed polyetheretherketone (PEEK) implant surface materials, evaluate early bacterial adhesion on these surfaces, and compare its surface roughness. Materials and methods: Four groups of disc-shaped specimens were tested: 1) PEEK printed by fused deposition modelling (FDM-PEEK) with horizontal printing orientation (PH); 2) FDM-PEEK printed vertically (PV), 3) cpTi and 4) ZrO2. Human gingival fibroblasts were cultured on discs (15/group), with their viability evaluated (1, 3 and 7 days) and produced cytokines (IL-6 and IL-8) measured at 3 days. Discs (9/group) also received a Streptococcus oralis suspension, and bacteria were counted at 1 and 2 days. Discs also underwent scanning electron microscopy and surface roughness testing. Groups were compared by ANOVA and Tukey HSD (α=0.05). Results: Although fibroblast proliferation was similar for the groups at 24h (p=0.245), values were significantly higher for PV than ZrO2 at 3 days (p=0.021). At 7 days, PH had the lowest value, being significantly lower than cpTi (p= 0.028). Groups did not influence the production of IL-8 (p=0.095), while IL-6 was higher on cpTi compared to ZrO2 (p=0.015). Bacterial adhesion was lower for ZrO2 than for PH and cpTi at 24h (Kruskal-Wallis p=0.019), but similar at 48h (Kruskal-Wallis p=0.050). PV was significantly rougher than the other groups (p=0.001). Conclusion: The FDM-PEEK produces early fibroblast adhesion and viability as well as bacterial colonization comparable to reference implant materials. Vertical layer printing orientation promoted the best fibroblast adhesion. Clinical significance: This study underscores the potential of FDM-PEEK as a constituent material for dental implants and prosthetic components, with good peri-implant mucosal seal.
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spelling Cellular responses to 3D-printed PEEK based implant materialsTeses de mestrado - 2023Saúde OralMedicina DentáriaObjectives: The aim of this study was to characterize and compare the behavior of human gingival fibroblasts in contact with novel 3D-printed polyetheretherketone (PEEK) implant surface materials, evaluate early bacterial adhesion on these surfaces, and compare its surface roughness. Materials and methods: Four groups of disc-shaped specimens were tested: 1) PEEK printed by fused deposition modelling (FDM-PEEK) with horizontal printing orientation (PH); 2) FDM-PEEK printed vertically (PV), 3) cpTi and 4) ZrO2. Human gingival fibroblasts were cultured on discs (15/group), with their viability evaluated (1, 3 and 7 days) and produced cytokines (IL-6 and IL-8) measured at 3 days. Discs (9/group) also received a Streptococcus oralis suspension, and bacteria were counted at 1 and 2 days. Discs also underwent scanning electron microscopy and surface roughness testing. Groups were compared by ANOVA and Tukey HSD (α=0.05). Results: Although fibroblast proliferation was similar for the groups at 24h (p=0.245), values were significantly higher for PV than ZrO2 at 3 days (p=0.021). At 7 days, PH had the lowest value, being significantly lower than cpTi (p= 0.028). Groups did not influence the production of IL-8 (p=0.095), while IL-6 was higher on cpTi compared to ZrO2 (p=0.015). Bacterial adhesion was lower for ZrO2 than for PH and cpTi at 24h (Kruskal-Wallis p=0.019), but similar at 48h (Kruskal-Wallis p=0.050). PV was significantly rougher than the other groups (p=0.001). Conclusion: The FDM-PEEK produces early fibroblast adhesion and viability as well as bacterial colonization comparable to reference implant materials. Vertical layer printing orientation promoted the best fibroblast adhesion. Clinical significance: This study underscores the potential of FDM-PEEK as a constituent material for dental implants and prosthetic components, with good peri-implant mucosal seal.Introdução: Os implantes dentários são uma das opções mais comuns para reabilitar pacientes total ou parcialmente edêntulos. A osteointegração é a ligação estrutural e funcional entre a superfície do implante e o osso, sendo um fator determinante para o sucesso clínico dos implantes. De igual modo, a mucosa peri-implantar deve proporcionar uma selagem eficaz em redor do implante e do pilar. Este selamento é essencial para a manutenção da osteointegração, impedindo a entrada de bactérias e outros agressores intra-orais no sulco peri-implantar. Podem ser utilizados diferentes materiais para o fabrico de implantes dentários. O titânio e suas ligas são os mais tradicionais, principalmente devido à sua boa biocompatibilidade e resistência. No entanto, o seu módulo de elasticidade (cerca de 110 GPa) é muito superior ao do osso circundante (20-30 GPa). Este facto tem o potencial de promover a reabsorção óssea e reduzir a cicatrização óssea devido ao stress-shielding, ou seja, concentração de tensão/esforço na interface implante-osso durante a carga. Este problema é mais significativo com materiais mais rígidos, incluindo a zircónia (ZrO2). Os polímeros de alto desempenho, como a poliéterétercetona (PEEK), têm o potencial de ultrapassar estes problemas biomecânicos. O PEEK tem um módulo de elasticidade muito inferior (3-4 GPa), muito mais próximo ao valor do osso cortical (14 GPa). Esta caraterística pode, potencialmente, atenuar o efeito de stress-shielding e, assim, diminuir a atrofia e a reabsorção óssea peri-implantar, reduzindo, consequentemente, o risco de fracasso do implante. Embora o PEEK seja um material implantável conhecido, os diferentes métodos de fabrico podem produzir resultados diferentes. Recentemente, a modelação por deposição fundida (FDM) tem sido utilizada para o fabrico de próteses ortopédicas produzidas em PEEK. FDM é um método de impressão 3D económico que, em comparação com a fresagem e outros métodos, pode minimizar o desperdício de material. Através de FDM, o ângulo de varrimento e os parâmetros de impressão (por exemplo, velocidade de impressão, temperatura do bico e espessura da camada) podem influenciar as propriedades do PEEK, tais como a rugosidade da superfície e a precisão da geometria do implante. No entanto, existe uma quantidade insuficiente de estudos sobre as propriedades biológicas do PEEK fabricado através de FDM (FDM-PEEK). Isto impossibilita qualquer previsão relativamente ao comportamento do FDM-PEEK em termos de selamento da mucosa peri- implantar e manutenção da otseointegração. Por conseguinte, este estudo preliminar avaliou a resposta biológica dos fibroblastos gengivais e a adesão bacteriana ao PEEK impresso em 3D por FDM, utilizando diferentes orientações do filamento, em comparação com dois materiais de referência. Procedeu-se, ainda, à comparação da rugosidade superficial destes materiais. Materiais e métodos: Foram considerados 4 grupos: 1) PEEK impresso em 3D com orientação horizontal do filamento (PH); 2) PEEK impresso em 3D com orientação vertical do filamento (PV); 3) Titânio (cpTi) e 4) Zircónia (ZrO2). Foram produzidos discos com 8mm de largura e 3mm de altura para cada grupo. Os discos de PEEK foram impressos através da M220 FDM printer (Apium, Karlsruhe, Alemanha) utilizando o filamento Vestakeep i43DF-T (Evonik, Essen, Alemanha), enquanto os discos de titânio e zircónia foram produzidos por prensagem e sinterização. Os fibroblastos gengivais humanos imortalizados pelo gene hTERT (HGF- hTERT) foram cultivados nestas superfícies por 7 dias (1x104 em 500μL de meio de cultura por poço). A viabilidade celular foi avaliada aos 1, 3 e 7 dias usando um método à base de resazurina (n=15/grupo), em três ciclos de cultura. A produção de interleucina 6 (IL-6) e interleucina 8 (IL-8) foi medida aos 3 dias por ensaios enzimáticos de imunoadsorção (ELISA). Streptococcus oralis CECT 007T (S.oralis) foram cultivados a 37ºC em condições anaeróbicas em Brain- Heart Infusion Modified Medium (BHI-2). A suspensão bacteriana na fase exponencial foi semeada nos discos com uma densidade de 108 bactérias/ml. Após a remoção de bactérias não aderidas às amostras e realização de ultrassons e vórtex para remover as aderidas, seguida de diluições seriadas, foi efetuada a contagem de bactérias aderidas através da medição da densidade ótica (DO) e contagem das unidades formadoras de colónias (UFC) (n=9/grupo). A morfologia, adesão celulares e bacterianas foram analisadas por microscopia eletrónica de varrimento (SEM). A rugosidade de superfície foi medida através de um perfilómetro mecânico em 5 áreas diferentes de cada disco (n=5/grupo). Os resultados foram apresentados como média ± desvio padrão. Realizaram-se comparações entre grupos por ANOVA e de medidas repetidas (teste post-hoc de Tukey) usando um software de estatística apropriado. A significância foi definida como p<0,05. Resultados: Verificou-se um aumento de proliferação e viabilidade celular em todos os grupos ao longo do tempo. Às 24 horas não houve diferenças estatisticamente significativas entre grupos (p= 0.245). Aos 3 dias verificaram-se valores de viabilidade significativamente superiores no PV comparativamente à ZrO2 (p= 0.021). O PH teve o valor de viabilidade mais baixo aos 7 dias, mas apenas significativamente mais baixo que o titânio (p= 0.028). Não houve diferenças significativas entre grupos na produção de IL-8 (p=0.095). Quanto à produção de IL-6, o cpTi teve uma produção superior à ZrO2 (p=0.015). Relativamente à adesão e proliferação bacteriana, a ZrO2 teve o valor mais baixo às 24 horas, significativamente mais baixo que o PH e o cpTI (Kruskal-Wallis p=0.019). Às 48 horas não se verificaram diferenças significativas entre grupos (Kruskal-Wallis p=0.050). O PV teve um valor de rugosidade superficial superior aos restantes grupos (p=0.001). As imagens de SEM confirmaram os resultados de viabilidade, assim como a adesão bacteriana. Discussão: A viabilidade celular dos fibroblastos no FDM-PEEK, bem como a produção de citoquinas pelos mesmos, é comparável aos materiais de referência. Apesar do PEEK ser um material bioinerte, em ambas as orientações de impressão do filamento, verificou-se uma proliferação fibroblástica adequada, tendo esta sido ligeiramente superior no caso dos discos de PEEK impressos na vertical. Isto pode ser justificado possivelmente, pelos valores de rugosidade superficial obtidos através deste método de impressão, ligeiramente superiores aos descritos como ideais na literatura, no caso do PH e consideravelmente mais elevados no caso do PV. As imagens obtidas através de SEM (scanning- eletron microscopy) permitiram-nos verificar os resultados da viabilidade celular, bem como observar uma morfologia normal das células aderidas. O facto dos discos de FDM-PEEK terem produzido uma quantidade de citoquinas semelhante aos outros materiais indica-nos que este material não induz, possivelmente, uma reação inflamatória mais exuberante. A adesão de S.oralis no polímero impresso em 3D foi, também, semelhante aos outros materiais, sendo comparável ao cpTi e ligeiramente mais elevada do que nos discos de ZiO2 , apesar do seu valor de rugosidade superficial mais elevado. Visto que o PEEK tem uma baixa energia superficial e molhamento, isto pode justificar a sua reduzida adesão bacteriana. A diminuição do número de bactérias das 24 para as 48 horas pode dever-se a uma propriedade intrínseca do material ou ao facto das mesmas serem colonizadores iniciais que podem ter atingido a fase de morte. Sendo um estudo in vitro, este possui várias limitações, nomeadamente, o tamanho da amostra reduzido, além disso, as amostras não são padronizadas. Estudos futuros devem caracterizar de forma mais completa a diferenciação celular nos materiais em função, bem como as características mecânicas deste material, energia de superfície e diferentes tratamentos de superfície. Devem, ainda, realizar-se estudos in vivo com follow-ups prolongados. Conclusão: Os materiais base de PEEK impressos em 3D produziram uma adesão de fibroblastos e bacteriana semelhante aos materiais de referência, bem como uma produção de citoquinas comparável. O PEEK com orientação vertical do filamento obteve melhores resultados de adesão e proliferação celular. Importância clínica: Este estudo realça o potencial do FDM-PEEK como material base de implantes dentários e componentes protéticos, com um bom selamento da mucosa peri- implantar.Marques, Joana Rita Oliveira FariaMata, António Duarte Sola Pereira daRepositório da Universidade de LisboaBranco, Rafaela Lopes2024-01-04T12:00:01Z2023-07-252023-07-25T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/61592TID:203352963enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-01-08T01:17:04Zoai:repositorio.ul.pt:10451/61592Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-20T01:30:44.223673Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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