Ag?、Ag/ZnO?和Ag/TiO?涂层不锈钢正畸托槽的细胞毒性、抗菌活性以及表面粗糙度比较：一项体外研究

《International Orthodontics》：Comparison of cytotoxicity, antibacterial activity and surface roughness, among Ag-, Ag/ZnO-, and Ag/TiO 2-coated stainless-steel orthodontic brackets: An in vitro study

　　

摘要

背景

本研究旨在比较三种纳米粒子涂层（银（Ag）、银/氧化锌（Ag/ZnO）和银/二氧化钛（Ag/TiO₂）对不锈钢（SS）正畸托槽的细胞毒性、抗菌活性和表面粗糙度的影响。

材料与方法

总共148个SS托槽被分为四组（每组37个）：Ag涂层组、Ag/ZnO涂层组、Ag/TiO₂涂层组和未涂层对照组。涂层通过物理气相沉积法制备，厚度为50纳米。表面涂层通过能量分散X射线光谱和原子力显微镜（AFM）进行分析。细胞毒性使用3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯四唑溴化物（MTT）试剂对口腔上皮细胞进行评估。对抗变形链球菌的抗菌活性采用圆盘扩散法进行检测。表面粗糙度通过AFM测量。统计分析采用单因素方差分析，随后进行Tukey事后检验（P ≤ 0.05）。

结果

各组之间的细胞存活率存在显著差异（P = 0.001），其中Ag/TiO₂涂层组的存活率最高（86.81%±2.92%），其次是Ag/ZnO涂层组（73.02%±2.09%），而Ag涂层组的存活率最低（57.23%±5.84%），表明其具有最高的细胞毒性。抗菌测试显示组间存在显著差异（P < 0.001），其中Ag/ZnO涂层组对S. mutans的抑菌圈最大（10.60 mm±1.65 mm），其次是Ag涂层组（9.10 mm±1.01 mm）和Ag/TiO₂涂层组（7.60 mm±0.52 mm），对照组则无抑菌作用。表面粗糙度分析显示各组在平均粗糙度（Ra）和均方根粗糙度（Rq）方面存在显著差异（P = 0.001），Ag涂层组的粗糙度值最低（Ra：2.12 nm±1.18 nm；Rq：3.02 nm±1.71 nm）。

结论

在所有涂层组中，Ag/TiO₂显示出最高的细胞存活率，而单独的Ag涂层则表现出最高的细胞毒性。ZnO/Ag组合对S. mutans具有最强的抗菌效果。所有纳米粒子涂层均降低了不锈钢托槽的表面粗糙度，其中Ag涂层的表面最为光滑。

引言

由于具有较高的机械强度、尺寸稳定性和生物相容性，不锈钢（SS）固定正畸器被广泛使用[1]。然而，其表面不规则性可能导致细菌（如致龋的变形链球菌和乳酸杆菌）的附着[2]，[3]，[4]。防止微生物在正畸器上定植的最常见方法是使用表面活性抗菌纳米粒子[5]，[6]。由于纳米粒子的纳米级尺寸和高表面积与体积比，它们可以与细菌相互作用并减少其定植[7]，[8]。在纳米粒子涂层技术中，物理气相沉积（PVD）方法被证明是将纳米粒子均匀地沉积在金属正畸表面上的合适选择[9]。

银纳米粒子（AgNPs）因其抗菌活性而被深入研究，这种活性主要归因于Ag⁺离子的释放[10]，[11]。二氧化钛纳米粒子（TiO₂NPs）在光照下通过光解反应生成活性氧（ROS）[12]，[13]。此外，紫外线照射可以改变TiO₂表面的物理化学性质并影响其生物学行为[14]。氧化锌纳米粒子（ZnONPs）具有广谱抗菌特性，这种特性可以通过与其他金属纳米材料的协同作用得到进一步增强[15]，[16]。

双组分和混合纳米粒子系统也被用于正畸托槽。Ag/TiO₂涂层显示出良好的抗菌和生物相容性[17]，[18]，[19]，[20]，而Ag/ZnO组合对致龋细菌具有很强的抑制作用[16]，[21]。比较Ag、TiO₂和ZnO纳米粒子的研究[22]，以及TiO₂、CuO和羟基磷灰石-银纳米粒子涂层的研究，显示了它们在抗菌效果和耐久性方面的差异[23]。氧化铜和氧化锌单独或组合成CuO/ZnO也对S. mutans具有抗菌活性[24]。银/壳聚糖[25]和二氧化钛与甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（TiO₂/MPC）的组合涂层[26]也有类似的表面和抗菌性能评估。最近，一种氨基端叠接的锆-聚硅氧烷涂层及其掺银衍生物（HPZP/HPZP-Ag）被提议作为SS正畸托槽的抗菌层[27]。

来自涂层表面的金属纳米粒子或离子的释放引发了关于其对口腔组织细胞毒性的担忧[28]。特别是，各种NP涂层器具释放的Ag⁺离子和ROS可能会破坏细胞稳态[29]，[30]。然而，关于Ag-、Ag/ZnO-和Ag/TiO₂涂层不锈钢托槽的粗糙度、抗菌活性和细胞毒性的比较证据仍然有限。一项最近的系统评价结论认为仍需要进一步的长期临床研究[31]。此外，关于Ag涂层不锈钢托槽的细胞毒性的直接证据仍然有限，其中一项研究报告HPZP-Ag的细胞毒性高于未经掺杂的HPZP[27]。我们假设纳米粒子涂层托槽将表现出更低的表面粗糙度和更强的抗菌活性 against S. mutans。我们还假设Ag/ZnO和Ag/TiO₂涂层将是比单独使用Ag更安全的替代方案。根据PICO框架，本研究包括三个主要结果：细胞毒性、抗菌活性和表面粗糙度。研究目的是比较通过PVD涂层的Ag-、Ag/ZnO-和Ag/TiO₂不锈钢托槽与未涂层托槽在对口腔上皮细胞的细胞毒性、对S. mutans的抗菌活性以及表面粗糙度方面的差异。

章节片段

伦理考虑

埃及曼苏拉大学牙科学院的研究伦理委员会批准了该研究方案（代码号A01011024OR）。委员会免除了签署知情同意书的要求。

样本量计算

根据Bahrami等人的研究[32]，在5%的显著性水平和80%的功效下，计算出每组平均细胞存活率所需的样本量为12个托槽。抗菌测试的样本量计算为每组10个托槽，在5%的显著性水平和95%的功效下。

EDX分析

EDX分析证实了纳米粒子涂层在正畸托槽表面的元素组成和成功沉积（表I）。

AFM成像

对10×10 μm²扫描区域进行的三维AFM分析显示，不同组之间的表面形态存在差异。对照组和Ag/TiO₂涂层托槽表现出相对较粗糙的表面特征，具有明显的峰谷和宽泛的表面高度分布。相比之下，Ag涂层托槽表现出

讨论

使用NP涂层对正畸托槽进行表面改性的方法最近被认为是一种有前景的策略，可以在保持正畸器具的机械和生物性能的同时提高其抗菌活性。因此，本体外研究比较了三种基于Ag的纳米粒子涂层（Ag、Ag/ZnO和Ag/TiO₂）通过PVD沉积在SS正畸托槽上对表面粗糙度、对抗S. mutans的抗菌活性和细胞毒性的影响

结论

在所有涂层组中，Ag/TiO₂涂层显示出最高的细胞存活率，而Ag涂层托槽在所有研究的组中表现出最高的细胞毒性。

与其它涂层相比，ZnO与Ag纳米粒子的结合对S. mutans表现出最强的抗菌效果。

纳米粒子涂层显著降低了SS正畸托槽的表面粗糙度，其中Ag涂层托槽的表面最为光滑

资金

作者声明在准备本手稿期间未收到任何资金、资助或其他支持。

作者贡献

Mirna Mahmoud Abou El Niaj（数据管理[负责人]、形式分析[负责人]、研究[负责人]、写作—初稿[负责人]、写作—审稿与编辑[负责人]）。

Ahmed Mohamed Kamel（数据管理[支持]、形式分析[支持]、研究[支持]、写作—审稿与编辑[支持]）。

Marwa Sameh Shamaa（概念制定[负责人]、方法学[支持]、项目管理[负责人]、监督[负责人]、形式分析[支持]、研究[支持]）。

伦理批准和参与同意

该研究获得了埃及曼苏拉大学牙科学院的牙科研究伦理委员会的批准（代码号A01011024OR），并遵循赫尔辛基宣言进行。由于研究的性质和所有数据的匿名化，委员会免除了签署知情同意书的要求。

临床试验编号

不适用（体外研究）。

数据和材料的可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在已发表的文章中。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物受试者。

利益披露

作者声明他们没有竞争利益。

致谢

不适用。

Mirna Mahmoud Abou El Niaj|Ahmed Mohamed Kamel|Marwa Sameh Shamaa