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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-233255
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.23325
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Date: | 30 January 2012 |
| Referee: | Prof. Dr. Helmut Schweikl and PD Dr. Martin Rosentritt |
| Date of exam: | 21 December 2011 |
| Institutions: | Medicine > Lehrstuhl für Zahnerhaltung und Parodontologie > Prof. Dr. rer. nat. Helmut Schweikl |
| Keywords: | bakterielle Adhäsion, Puffer, Speichelbeschichtung, Streptococcus gordonii, Netzwinkel |
| Dewey Decimal Classification: | 600 Technology > 610 Medical sciences Medicine |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 23325 |
Abstract (German)
Der klinische Erfolg oder Misserfolg medizinischer und zahnmedizinischer Biomaterialien hängt zu einem wesentlichen Teil von der Adhäsion von Bakterien und eukaryontischen Zellen auf den Oberflächen dieser Werkstoffe ab. Mit entscheidend dafür ist wiederum die Adsorption von Proteinen aus dem umgebenden Milieu, die ihrerseits die Adhäsion von Bakterien und Zellen beeinflussen kann. Bioadhäsion an ...
Abstract (German)
Der klinische Erfolg oder Misserfolg medizinischer und zahnmedizinischer Biomaterialien hängt zu einem wesentlichen Teil von der Adhäsion von Bakterien und eukaryontischen Zellen auf den Oberflächen dieser Werkstoffe ab. Mit entscheidend dafür ist wiederum die Adsorption von Proteinen aus dem umgebenden Milieu, die ihrerseits die Adhäsion von Bakterien und Zellen beeinflussen kann. Bioadhäsion an Werkstoffoberflächen ist ein sehr komplexes Geschehen und abhängig von vielen Faktoren. So werden etwa physikalisch-chemische Eigenschaften wie die Hydrophobizität einer Oberfläche und die Adsorption von Speichelproteinen speziell auf zahnmedizinischen Werkstoffen in der Mundhöhle in der Literatur diskutiert.
Ziel dieser Arbeit war die Quantifizierung der Adhäsion des oralen Mikroorganismus Streptococcus gordonii DL1 auf zahnmedizinischen Werkstoffen und solchen, die darüber hinaus auch in der Medizin verwendet werden. Dazu wurde die Zahl von S. gordonii DL1 auf Biomaterialien in Phosphatpuffer (PBS) oder nach Beschichtung mit humanem Speichel bestimmt. Außerdem wurden Korrelationsanalysen zwischen der Zahl adhärenter Bakterien, der Menge an Proteinen auf den Werkstoffoberflächen sowie der Hydrophilie der Oberflächen durchgeführt.
Es wurden die Metalllegierungen Ti6Al4V und Co28Cr6Mo, die dentalen Komposite TetricEvoCeram und Filtek Siloran, die Kunststoffe Polymethylmethacrylat (PMMA), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyethylen (PE) sowie der Glasionomerzement Ketac Molar untersucht. Von diesen Werkstoffen wurden materialspezifisch Prüfkörper mit einem Durchmesser von 11,3 mm und einer Höhe von 2 mm hergestellt.
Zur Bestimmung der Hydrophobizität der Oberflächen wurde der Netzwinkel gegen Wasser bestimmt. Materialien mit Netzwinkeln zwischen 90,5° und 105,5° nach Beschichtung mit PBS wurden als stark hydrophob (PTFE, PE und Silikon) und solche mit Netzwinkeln zwischen 61,75° (PMMA) und 79,25° (Filtek Siloran) als schwach hydrophob (PMMA, Filtek Siloran, TetricEvoCeram, Titan und CoCrMo) klassifiziert. Der Glasionomerzement (Ketac Molar) mit einem Netzwinkel von 39,25° wurde als hydrophile Oberfläche betrachtet. Die Beschichtung mit humanem Speichel hatte für einige Oberflächen (Titan, CoCrMo, Filtek Siloran, PMMA) eine Reduktion des Netzwinkels und damit eine Steigerung der Hydrophilie zur Folge. Für andere Prüfkörper (PTFE, PE, Silikon, TetricEvoCeram) blieben die Netzwinkel nach Speichelbeschichtung unverändert hoch, während beim Glasionomerzement Ketac Molar ein Netzwinkel gegen Wasser nicht mehr messbar war.
Für die Bestimmung der Zahl an Bakterien auf den Prüfkörpern wurden diese zunächst einzeln in einer Wellplatte mit Speichel oder PBS für 30 Minuten bei Raumtemperatur inkubiert. Nach dem Waschen in PBS wurden die Prüfkörper mit einer biotinylierten Bakteriensuspension für eine Stunde im Kühlschrank inkubiert. Adhärente Mikroorganismen auf den Materialoberflächen wurden schließlich über eine Biotin-Avidin-gekoppelte Reaktion indirekt anhand von Signalen auf lichtempfindlichen Filmen detektiert. Die mit bekannten Zahlen von Bakterien auf Nitrozellulosemembranen im dot blot-Verfahren erstellten Eichkurven erlaubten über den Vergleich der Signalintensitäten die quantitative Bestimmung der Bakterien auf den Oberflächen von Prüfkörpern.
S. gordonii adhärierte in unterschiedlichen Zellzahlen an den verschiedenen Biomaterialien. Selbst für ein identisches Material gab es Unterschiede in Abhängigkeit von der Beschichtung mit PBS oder humanem Speichel. Dabei wurden die höchsten Zellzahlen mit etwa 3,2x10000 KBE/mm2 auf Ketac Molar nach Beschichtung mit Speichel gemessen, die niedrigsten Zellzahlen wurden mit etwa 4x1000 KBE/mm2 auf Filtek Siloran mit PBS-Beschichtung gefunden. Auffällig ist, dass mit Speichel als Beschichtung der Materialoberflächen verglichen mit PBS eine leichte Erhöhung der Adhäsion der Bakterien auf den Materialien Teflon, Polyethylen, PMMA, Silikon, TetricEvoCeram und Ketac Molar zu beobachten war. Auf Filtek Siloran dagegen wurden nach der Beschichtung mit humanem Speichel signifikant mehr Bakterien ermittelt als nach Beschichtung mit PBS. Auch auf den metallischen Prüfkörpern waren die Unterschiede der Bakterienzahlen abhängig von der Beschichtung signifikant, hier wurden allerdings auf den mit Speichel beschichteten Oberflächen weniger Bakterien gefunden als auf den mit PBS vorbehandelten Materialien. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten eine gleichmäßige Verteilung der Bakterien über die gesamten unterschiedlichen Oberflächen. Lineare Regressionsanalysen zwischen steigenden Netzwinkeln auf Werkstoffoberflächen ohne Beschichtung mit humanem Speichel und adhärenten S. gordonii DL1 ließen eine schwach negative Korrelation erkennen. Dieser Zusammenhang war auf den mit humanem Speichel beschichteten Oberflächen nicht nachzuweisen. Außerdem hatte die Proteinmenge des Speichels per se keinen Einfluss auf die Zahl adhärenter Zellen.
Die hier erzielten Ergebnisse und die Diskussion der Bakterienadhäsion an unterschiedlichen Biomaterialien verweisen somit auf einen sehr komplexen Vorgang, welcher allein durch die hier untersuchten Parameter, nämlich Hydrophobizität und Proteinabsorption, nicht zu erklären ist. Andere Faktoren, wie funktionale chemische Gruppen an Grenzflächen, Ionen und Ionenstärke, oder eine spezifische Bindung an Speichelproteine spielen auch eine entscheidende Rolle dabei. Um diese verschiedenen Einflüsse zu untersuchen, sollten weiterführende Analysen mit sehr viel mehr Oberflächen mit entsprechenden Modifizierungen oder Inkubationsbedingungen durchgeführt werden. Des weiteren sollte für die Charakterisierung der Adhäsion von Bakterien auf Biomaterialien unbedingt zwischen der Adhäsion an Systemen in vivo und der Adhäsion an Systemen, die in vitro stattfinden, unterschieden werden.
Translation of the abstract (English)
Clinical success or failure of clinically used biomaterials depends mostly on bacterial adhesion and biofilm formation. In dentistry this can be a main cause of common dental diseases including caries, gingivitis, periodontitis, and peri-implantitis. The adhesion of biomolecules and bacteria to solid surfaces is complicated and depends on multitudinous factors. In the literature especially ...
Translation of the abstract (English)
Clinical success or failure of clinically used biomaterials depends mostly on bacterial adhesion and biofilm formation. In dentistry this can be a main cause of common dental diseases including caries, gingivitis, periodontitis, and peri-implantitis. The adhesion of biomolecules and bacteria to solid surfaces is complicated and depends on multitudinous factors. In the literature especially material’s hydrophobicity and the adsorption of human salivary proteins are discussed. The aim of this investigation was to quantify adhesion of Streptococcus gordonii DL1 to various materials used in medicine and dentistry. Here, polymethyl methacrylate (PMMA), polyethylene (PE), polytetrafluoroethylene (PTFE), silicone (Mucopren soft), a silorane-based (Filtek Silorane) and a methacrylate-based (Tetric EvoCeram) dental composite material, as well as cobalt–chromium–molybdenum (Co28Cr6Mo) and titanium (Ti6Al4V) specimens were tested, and bacterial adhesion was measured after precoating material surfaces with human saliva. In order to determinate the materials’ hydrophobicity water contact angles on pure biomaterial surfaces and surfaces coated with salivary proteins as well were determined. Pure material surfaces with water contact angles between 90.5° und 105.5° were considered hydrophobic (PE, silicone, PTFE), other materials with contact angles between 61.75° (PMMA) and 79.25° (Filtek Silorane) were less hydrophobic (PMMA, Filtek Silorane, Tetric EvoCeram, titanium, CoCrMo), and the surface of a glassionomer cement (Ketac Molar, 39,25°) was considered hydrophilic. On the one hand, the coating of the surfaces with salivary proteins decreased contact angles of water on most surfaces significantly. On the other hand, water contact angles to other material surfaces (PTFE, PE, silicone, TetricEvoCeram) did not change significantly after protein coating. Noteworthy, the protein coating of the surface of the glass ionomer cement (Ketac Molar) produced a surface completely wettable by water. The number of S. gordonii which adhered to biomaterial surfaces was determined by coupling avidin- horseradish peroxidase. First, defined numbers of S. gordonii were immobilized in serial dilutions on nitrocellulose membranes to create a standard curve. Then, signal intensities from standards (colony forming units; CFUs) were analyzed by densitometry, transformed into inverse grey levels and plotted against the known numbers of microorganisms. Adhesion of S. gordonii was detected with all material surfaces, but differences in the numbers of microorganisms found on the various surfaces were relatively small. Yet, the number of bacteria on a single surface varied depending on the coating. Noteworthy, the highest number of bacteria (3.2x10000 CFU/mm2) adhered to the completely wettable glass ionomer cement surface coated with salivary proteins, and the lowest number (4x1000 CFU/mm2) was detected on the hydrophobic pure silorane composite (Filtek Silorane). Remarkable was a slight increase in the numbers of S. gordonii on PTFE, PE, PMMA, silicone, the dental acrylic composite (Tetric EvoCeram) and the glass ionomer cement (Ketac Molar) coated with salivary proteins. Although differences between the number of bacteria attached to pure and coated surfaces were not significant for all materials, the number of bacteria which adhered to the silorane composite (Filtek Silorane) increased about four-fold on surfaces coated with salivary proteins. Hydrophobicity of pure material surfaces and the number of attached microorganisms were negatively correlated, with a low correlation coefficient (r2=0.55), however, indicating an uncertain relationship. No such correlation between hydrophobicity and the number of bacteria was detected when surfaces were coated with salivary proteins, and furthermore the number of microorganisms did not correlate with the amount of proteins adsorbed to materials. These findings suggest that functional groups added by the adsorption of specific salivary proteins to material surfaces are more relevant for initial bacterial adhesion than hydrophobicity as a physical property.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 05:07
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