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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.58.2021.tde-30112022-170151
Document
Author
Full name
Yumi Chokyu Del Rey
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2021
Supervisor
Committee
Nascimento, Cássio do (President)
Casarin, Renato Corrêa Viana
Vaz, Luís Geraldo
Watanabe, Evandro
Title in Portuguese
Desenvolvimento de superfícies de titânio microestruturadas e revestidas por zircônia e análise do seu efeito sobre a formação de biofilme oral
Keywords in Portuguese
Anodização
Biofilme
Plasma eletrolítico oxidativo
Titânio
Zircônia
Abstract in Portuguese
Este estudo objetivou desenvolver e caracterizar superfícies experimentais de titânio (Ti) com potencial para reduzir e/ou modular a formação de biofilme oral pela alteração da composição química e das propriedades superfícies das amostras tratadas. A técnica de plasma eletrolítico oxidativo (PEO) foi utilizada para criar superfícies de Ti microestruturadas (T1) e a técnica de anodização foi empregada para revestir as superfícies modificadas por PEO por uma camada de zircônia (Zr) (T2). Superfícies de Ti usinadas (C1) e comercialmente tratadas por duplo ataque ácido (C2) foram utilizadas como controles. A topografia e morfologia de superfície dos grupos foram investigadas por meio de microscopia confocal a laser e de microscopia eletrônica de varredura. A composição e distribuição dos elementos químicos presentes nas amostras foram avaliadas por espectroscopia de raios-X por dispersão de energia. A técnica de difração de raios-X foi empregada para investigar as fases cristalinas presentes, e a molhabilidade e energia livre de superfície foram determinadas em goniômetro/tensiômetro pelo método da gota séssil. Os espécimes controles e tratados foram expostos à formação de biofilme oral in situ por 48 h na cavidade oral de nove voluntários. Em seguida, as amostras de biofilme foram coletadas e até 35 espécies microbianas relevantes, incluindo micro-organismos comensais e patogênicos, foram identificadas e quantificadas pelo método de hibridização Checkerboard DNA-DNA Hybridization. A área recoberta por biofilme e viabilidade celular foram avaliadas pela técnica de fluorescência Live/Dead. Os dados paramétricos obtidos foram analisados por ANOVA seguido de pós-teste de Tukey, já os dados não paramétricos foram analisados por modelos lineares generalizados. O nível de significância adotado foi de 0,05. Diferenças significantes de rugosidade superficial foram encontradas entre os grupos (C2>T1=T2>C1; P<0,05). O protocolo desenvolvido para o tratamento das superfícies de Ti pela técnica de PEO foi capaz de gerar revestimentos uniformes de microporos, com a presença de estrutura cristalina anatase e baixa hidrofilia e energia livre de superfície em comparação ao Ti usinado (P<0,05). O posterior recobrimento dos microporos pela técnica de anodização resultou em redução adicional da hidrofilia de superfície (P<0,05) e alteração de sua composição química pela deposição de uma camada de Zr monoclínica. A área total recoberta por biofilme diferiu significativamente entre os grupos (C1 < C2=T1=T2; P<0,05), mas não houve diferenças em relação à viabilidade microbiana. Pela técnica de hibridização de DNA, os grupos T1 e T2 apresentaram os menores níveis de contagem microbiana total (P<0,05). As contagens individuais de 34 espécies-alvo avaliadas diferiram significantemente entre os grupos. Diversos colonizadores intermediários e patógenos anaeróbios estritos foram encontrados em níveis mais elevados para C2 em relação a T1 e T2, enquanto que para várias espécies de Streptococcus foi observada a tendência oposta. Como conclusão, os resultados indicam a colonização diferencial dos grupos investigados, provavelmente em decorrência das suas diferentes propriedades físico-químicas. Os tratamentos propostos representam técnicas simples e eficazes para criar revestimentos de microtopografia complexa capazes de reduzir a formação de biofilme e modular o perfil microbiano para condições mais compatíveis com o equilíbrio da comunidade microbiana e homeostase peri-implantar.
Title in English
Development of microstructured titanium surfaces coated with zirconia and analysis of their effect on the oral biofilm formation
Keywords in English
Anodization
Biofilm
Plasma electrolytic oxidation
Titanium
Zirconia
Abstract in English
This study aimed to develop and characterize experimental titanium (Ti) surfaces with a potential to reduce and/or modulate oral biofilm formation by altering the chemical composition and surface properties of the treated samples. Plasma electrolytic oxidation (PEO) technique was used to create microstructured Ti surfaces (T1) and anodization technique was employed to coat PEO-modified surfaces with a zirconia (Zr) layer (T2). Machined Ti surfaces (C1) and commercially double acid etched Ti (C2) were used as controls. The topography and surface morphology of the groups were investigated using confocal laser microscopy and scanning electron microscopy. The composition and distribution of the chemical elements present in the samples were evaluated by energy-dispersive spectroscopy. The X-ray diffraction technique was used to investigate its crystalline phases, and the wettability and surface free energy were determined in a goniometer/tensiometer by sessile drop method. Control and treated specimens were exposed to in situ oral biofilm formation for 48 h in the oral cavity of nine volunteers. Subsequently, biofilm samples were collected and up to 35 relevant microbial species, including commensal and pathogenic microorganisms, were identified and quantified by Checkerboard DNA-DNA hybridization method. The area covered by biofilm and cell viability were evaluated using Live/Dead fluorescence technique. The parametric data obtained were analyzed by ANOVA followed by Tukey's post-test, whereas non-parametric data were analyzed by generalized linear models. The level of significance adopted was 0.05. Significant differences in surface roughness were found between groups (C2>T1=T2>C1; P<0.05). The protocol developed for Ti surfaces treatment by PEO technique was able to produce uniform microporous coatings with the presence of anatase crystalline structure and low hydrophilicity and surface free energy compared to machined Ti (P<0.05). The subsequent coating of the micropores by anodization resulted in further reduction of surface hydrophilicity (P<0.05) and alteration of its chemical composition by the deposition of a monoclinic Zr layer. The total area covered by biofilm differed significantly between groups (C1 < C2=T1=T2; P<0.05), but no differences were found in terms of microbial viability. DNA hybridization technique revealed that T1 and T2 had the lowest levels of total microbial count (P<0.05). The individual counts of 34 target species differed significantly between groups. Several intermediate colonizers and strict anaerobic pathogens were found at higher levels for C2 compared to T1 and T2, whereas for several species of Streptococcus an opposite trend was observed. In conclusion, the results indicate a differential colonization of the investigated groups, probably due to their different physicochemical properties. The proposed treatments represent simple and effective techniques to create complex microstructured coatings capable of reducing biofilm formation and modulating the microbial profile to conditions more consistent with the microbial community equilibrium and peri-implant homeostasis.
 
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Publishing Date
2022-12-02
 
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