Studio e caratterizzazione di rivestimenti antibatterici per allineatori dentali

Introduction In developed countries, the 40% of the population needs odontoiatric visits every year. Despite many people think that the aim of dental cures is mainly aesthetic, it has been demonstrated that several problems (ranging from light problems such as speech defects to severe ones such as the insurgence of atherosclerosis) may be caused by the lack of dental care. Among these pathologies, there is a class known as malocclusion, the incorrect placement of dental elements in the oral arch. For years, malocclusions could only be cured by fixed appliances, such as brackets and wires. However, this therapy leads to several problems such as a reduced oral hygiene, gingival pain, enamel demineralization, long times for removal and aesthetic defects. A shift of paradigm happened in 1999, thanks to the advancements in software imaging and 3D printing techniques, with the commercialization of invisible aligners Invisalign, from Align Technology. They consist in polymer dental masks, produced by thermoforming or stereo lithography, able to move dental elements thanks to forces caused by morphological differences between the teeth and the aligner. They are transparent, removable and progressive, they have to be worn twenty-two hours per day for two weeks, and then the patient has to switch to the next aligner. They are manufactured specifically for each patient and can be worn immediately. However, aligner can cause problems too. One of these consists in the isolation of the tooth from the oral environment and this can lead to cavities and bacterial biofilm formation. Moreover, further dental pathologies interfere with the treatment, making it useless. For this reason, the main goal of the thesis work is the study of a method for the production of an antibacterial coating for dental aligners. Among the possibilities, a coating of titanium dioxide (TiO2), doped with silver ions (Ag+) was chosen. Both these elements have a known antibacterial effect, the former because of photocatalytic effect in presence of UV light, the later thanks to the interaction with elements of the bacteria cells (that leads to its death). Dip coating method was picked. In this procedure, the sample is immerged in a specific solution at a constant speed and then it is thermally treated to consolidate the adhesion to the substrate. This method allows the thickness control by monitoring the withdrawal speed and the possibility of obtaining a thin film, in the order of magnitude of hundreds of nanometers. Material and Methods Starting from commercial Duran discs (PET-G produced by Scheu Dental), rectangular samples were cut for the determination of the process parameters. The sol is produced starting from demineralized water, formic acid, TTIP and nitric acid. Before the dip, silver nitrate is added, in order to get to a concentration of 0,01 M. Different withdrawal speeds have been used (50, 100, 150 and 200 mm/min). Different consolidation techniques were used as well (24 h at room temperature, 2 h at 50 °C, 1 h at 120 °C). Samples were tested thorugh SEM EDS, in order to verify the adhesion and the uniformity of the coating and the presence of silver. Once the parameters for coating were determined, it was necessary to determine the ideal sequencing for the coating. Explored possibilities are the following: • R. The disc is coated, then thermoformed according to the correct parameters • R50. The disc is coated, consolidated for 2 h at 50 °C and then thermoformed using the correct parameters • T. The disc is thermoformed at first, then coated and in the end consolidated for 2 h at 50°C. For every sample, the thermoforming was made with the same base: a medical grade titanium bar (to obtain a regular shape for samples) and a wax dental cast used for aligners production. Several characterization tests were run, such as SEM EDS to verify the morphology and surface composition; release test ICP OES to verify the actual release of silver in oral-like conditions (37 °C in artificial saliva); water absorption tests, to verify that the coating would not modify bulk properties; wettability tests to verify the hydrophilicity increase; Rhodamine B degradation test to assess the photocatalytic effect and XRD analysis to determine the TiO2 crystallinity. Results and Discussion Results are encouraging. Ideal parameters were determined as U0 = 50 mm/min, T = 37°C, t = 2 h, method R50. Using these parameters, the coating is present on the whole analyzed surface, with a uniform thickness in the order of magnitude around hundreds of nanometers (this way, the interference with aligner morphology is minimized and the movement is correct). Moreover, in two-week time, almost the whole quantity of silver is released from the sample, granting antibacterial effect. The coating is amorphous, because of the low process temperatures caused by PET-G Vicat Softening Point (around 80 °C). This is not a problem, since the titanium dioxide itself is not used for antibacterial purposes, but it is the matrix that allows the release of the actual antibacterial element, silver ions. Further studies are suggested to verify the coating stability in regard to physiological stimuli, to confirm antibacterial effect through microbiological studies and to find a rapid way to verify TiO2 distribution on the sample.

Introduzione Nei paesi sviluppati, circa il 40% della popolazione ricorre ogni anno a visite in ambito odontoiatrico. Sebbene molti ritengano che il fine della cura dentale sia principalmente estetico, è stato dimostrato che diversi problemi (dai più lievi quali difetti di pronuncia ai più gravi quali insorgenza di aterosclerosi) possono insorgere in caso di cure assenti o inadeguate. Tra le patologie, sono presenti le malocclusioni, ovvero lo scorretto posizionamento degli elementi dentali in arcata. Per anni, l’unica possibilità per la cura delle malocclusioni è stata l’uso dell’apparecchio fisso. Tuttavia, questo tipo di terapia causa una serie di problemi tra i quali una difficile igiene orale, dolori a livello gengivale, demineralizzazione dello smalto, tempi lunghi per la rimozione e difetti di carattere estetico. La vera svolta è avvenuta nel 1999, grazie allo sviluppo di software di imaging e di tecniche di stampa 3D, con il lancio sul mercato degli allineatori dentali Invisalign, della Align Technology. Queste sono mascherine in polimero termoformate o stampate tramite stereolitografia, in grado di muovere gli elementi dentali grazie a forze esercitate dalla discrepanza morfologica tra dente e allineatore. Sono trasparenti, rimuovibili e progressive, vanno indossate ventidue ore al giorno per due settimane prima di passare all’allineatore successivo. Vengono preparate ad hoc per ogni paziente e possono essere indossate in maniera immediata. Tuttavia, anche gli allineatori dentali portano alcuni problemi. Uno di questi è dato dall’isolamento del dente dal resto dell’ambiente orale e ciò può causare problemi di proliferazione di carie e di sviluppo di altri biofilm batterici. Inoltre, la presenza di patologie dentali interferisce con il trattamento ortodontico, rendendolo inefficace. Per questo, l’obiettivo principale di questo lavoro di tesi è lo studio di un metodo per la produzione di un rivestimento antibatterico per gli allineatori dentali. La scelta è ricaduta su un rivestimento in biossido di titanio (TiO2), dopato con ioni argento (Ag+). Entrambi questi elementi hanno provato effetto antibatterico, il primo grazie all’effetto fotocatalitico, in presenza di radiazione ultravioletta, il secondo grazie all’interazione dello ione con elementi della cellula batterica che risulta nella morte di questa. Tra i metodi di rivestimento possibile, è stato scelto il dip coating, in cui il campione viene immerso in una soluzione a velocità costante e in seguito trattato termicamente per consolidare l’adesione al substrato. Questo perché è un metodo in cui il controllo dello spessore finale è determinato principalmente dalla velocità di immersione, per la disponibilità della strumentazione, per la possibilità di ottenere uno spessore molto sottile, nell’ordine di grandezza del centinaio di nanometri. Materiali e Metodi A partire da dischi commerciali di Duran (PET-G prodotto dalla Scheu Dental), sono stati ricavati campioni rettangolari per la determinazione dei parametri di processo. Il sol usato ha come reagenti acqua bidistillata, acido formico, TTIP e acido nitrico. Prima del processo viene aggiunto nitrato d’argento in polvere (fino ad arrivare ad una concentrazione di 0,01M). Sono state usate diverse velocità di immersione (50, 100, 150 e 200 mm/min), diverse temperature e tempistiche di consolidamento (temperatura ambiente per 24 h, 50 °C per 2 h e 120 °C per 1 h). I campioni sono stati testati tramite microscopia elettronica SEM EDS per verificare l’adesione e l’uniformità del coating e la presenza dell’argento. Stabiliti i parametri ideali per il dip coating, è stato necessario determinare la sequenza ideale per il rivestimento. Le possibilità studiate sono le seguenti: • R. Il disco viene rivestito tramite dip coating e poi termoformato secondo i parametri preimpostati dalla termoformatrice. • R50. Il disco viene rivestito tramite dip coating, consolidato a 50 °C per 2 h e poi termoformato secondo i parametri ideali della termoformatrice. • T. Il disco viene prima termoformato, poi rivestito tramite dip coating e infine consolidato a 50 °C per 2 h. Per tutti i campioni la termoformatura è avvenuta con il medesimo stampo: una lastra di titanio biomedicale (per dare una forma regolare ai campioni) e un calco dentale in cera usato per la produzione di allineatori. Vari test di caratterizzazione sono stati condotti, tra cui SEM EDS per verificare la morfologia e la composizione superficiale; test di rilascio ICP OES per verificare l’effettivo rilascio di argento in condizioni simili a quelle orali (37 °C in soluzione di saliva artificiale); test di assorbimento di acqua per verificare che il rivestimento non modificasse questa proprietà del substrato; test di bagnabilità per verificare l’avvenuto aumento di idrofilicità; test di degradazione della rodamina B per quantificare l’effetto fotocatalitico e test XRD per determinare la cristallinità del rivestimento. Risultati e Discussione I risultati sono incoraggianti. I parametri migliori di processo sono stati determinati come U0 = 50 mm/min, T = 50 °C, t = 2h, metodo R50. In questo modo, il rivestimento risulta presente sull’intera superficie analizzata, con uno spessore uniforme nell’ordine di grandezza del centinaio di nanometri (in questo modo interferisce minimamente con la morfologia dell’allineatore, che guida il movimento). Inoltre nell’arco di due settimane quasi l’intera quantità di argento sulla superficie viene rilasciato, garantendo così l’effetto antibatterico. Il rivestimento risulta amorfo, a causa delle basse temperature di processo, determinate dalla bassa temperatura alla quale il PET-G si deforma (circa 80 °C). Questo comunque non risulta un problema poiché il biossido di titanio non è adoperato con intenti antibatterici (che migliorano all’aumentare della cristallinità), ma è la matrice che garantisce il rilascio dell’effettivo elemento antibatterico, l’argento in forma ionica. Ulteriori studi sono necessari, per esempio, per verificare la tenuta del coating a stimoli meccanici fisiologici, per confermare l’effetto antibatterico tramite studi microbiologici e per trovare un metodo più rapido del SEM EDS per verificare la distribuzione del biossido di titanio sul provino.