Mechanism of action of Bioactive Endodontic Materials

Abstract A continuous search for bioactive materials capable of supporting the replacement of damaged pulp tissue, with effective sealing potential and biocompatibility, has represented the attention of studies over the last decades. This study involves a narrative review of the literature developed by searching representative research in PUBMED/MEDLINE and searches in textbooks associated with the mechanism of action of bioactive materials (calcium hydroxide, mineral trioxide aggregate (MTA), and calcium silicate cements). The reflective analysis of the particularities of the chemical elements of these materials, considering the tissue and antibacterial mechanism of action, allows a better understanding of the characteristics and similarities in their tissue responses. Calcium hydroxide paste remains the antibacterial substance of choice as intracanal dressing for the treatment of root canal system infections. Calcium silicate cements, including MTA, show a favorable biological response with the stimulation of mineralized tissue deposition in sealed areas when in contact with connective tissue. This is due to the similarity between the chemical elements, especially ionic dissociation, the potential stimulation of enzymes in tissues, and the contribution towards an alkaline environment due to the pH of these materials. The behavior of bioactive materials, especially MTA and the new calcium silicate cements in the biological sealing activity, has been shown to be effective. Contemporary endodontics has access to bioactive materials with similar properties, which can stimulate a biological seal in lateral and furcation root perforations, root-end fillings and root fillings, pulp capping, pulpotomy, apexification, and regenerative endodontic procedures, in addition to other clinical conditions.

Resumo Uma busca contínua de materiais bioativos com capacidade de substituir o tecido pulpar danificado, com efetiva capacidade de selamento e biocompatibilidade, tem representado a atenção e foco de muitos estudos ao longo das últimas décadas. Este estudo envolve uma revisão narrativa da literatura desenvolvida por meio de pesquisas representativas encontradas no PUBMED/MEDLINE e pesquisas em livros didáticos associadas ao mecanismo de ação de materiais bioativos (hidróxido de cálcio, agregado de trióxido mineral (MTA) e cimentos de silicato de cálcio). A presente análise reflexiva das particularidades dos elementos químicos destes materiais bioativos, considerando o mecanismo de ação tecidual e antibacteriano, possibilita um melhor entendimento das características e similaridades no comportamento tecidual. A pasta de hidróxido de cálcio continua sendo a substância antibacteriana de escolha como medicação intracanal para o tratamento das infecções do sistema de canais radiculares. Este fato se deve a disponibilidade química de íons cálcio e hidroxila do hidróxido de cálcio aos tecidos, e a inibição enzimática bacteriana. Os cimentos de silicato de cálcio, dentre os quais inclui o MTA, apresentam uma resposta biológica favorável ao estímulo à deposição de tecido mineralizado nas áreas seladas e em contato com tecido conjuntivo. Este fato é decorrente da similaridade entre os elementos químicos, em especial devido a dissociação iônica, ao potencial estímulo de enzimas teciduais, e a contribuição com um meio alcalino decorrente do pH destes materiais. O comportamento dos materiais bioativos, em especial o MTA e os novos cimentos de silicato de cálcio na atividade de selamento biológico mostraram efetivos. A endodontia contemporânea atualmente conta com o potencial de materiais bioativos com propriedades análogas capaz de estimular o selamento biológico em perfurações radiculares laterais e de furca, em obturações radiculares, capeamento pulpar, pulpotomia, apicificação e procedimentos endodônticos regenerativos, além de outras condições clínicas.

Physical-mechanical properties of a resin-modified calcium silicate material for pulp capping

Abstract The purpose of this study was to investigate and to compare the physical-mechanical properties of a resin-modified calcium silicate material (TheraCal LC), used for pulp-capping, to MTA (Angelus) and a calcium hydroxide cement (Dycal). Specimens of each material (n=12) were prepared in Teflon molds (3.58 mm x 3 mm) and measured before and after immersion in distilled water for 24 h and 30 days to evaluate the dimensional change. The same specimens were submitted to compressive strength test on a Universal Testing Machine (Instron) (1 mm/min). Root canals were filled with the cements (n=8), and after 24 h, the bond strength (push-out test) to dentin was also assessed on a Universal Testing Machine (1 mm/min). Eight additional specimens of TheraCal LC were prepared to evaluate the bond strength immediately after light curing. Data were analyzed using One-Way ANOVA, and Tukey or Bonferroni post hoc tests (p<0.05). Percentage expansion of TheraCal LC was above the Specification No. 57 of ANSI/ADA, in both periods. The dimensional change for TheraCal LC was higher than MTA in 24 h and 30 days; and Dycal in 30 days (p<0.05). TheraCal LC had higher compressive and bond strength to dentin in comparison with MTA and Dycal (p<0.05). Although TheraCal LC expanded more than the ANSI/ADA recommendation, its compressive and push-out bond strength to dentin were satisfactory and superior to MTA and Dycal.

Resumo O objetivo deste estudo foi investigar e comparar as propriedades físico-mecânicas de um material à base de silicato de cálcio modificado por resina (TheraCal LC) ao MTA (Angelus) e um cimento de hidróxido de cálcio (Dycal). Espécimes de cada material (n=12) foram fabricados em moldes de Teflon (3,58 mm x 3 mm) e medidos antes e após imersão em água destilada por 24 h e 30 dias para avaliar a alteração dimensional. Os mesmos espécimes foram submetidos ao teste de resistência à compressão em uma Máquina Universal de Testes (Instron) (1 mm/min). Canais radiculares foram preenchidos com os cimentos (n=8), e após 24 h, a resistência de união (teste de push-out) também foi avaliada em uma Máquina Universal de Testes (1 mm/min). Oito amostras adicionais de TheraCal LC foram preparadas para avaliar a resistência de união imediatamente após a fotoativação. Os dados foram analisados utilizando os testes ANOVA de 1-fator e Tukey; ou Bonferroni (p<0,05). A expansão percentual do TheraCal LC ficou acima da Especificação No. 57 do ANSI/ADA, em ambos os períodos. Os valores de alteração dimensional para TheraCal LC foram maiores que MTA em 24 h e 30 dias; e Dycal em 30 dias (p<0,05). TheraCal LC apresentou maior resistência à compressão e união à dentina em comparação ao MTA e Dycal (p<0,05). Embora TheraCal LC tenha expandido mais que a recomendação da ANSI/ADA, sua resistência à compressão e de união à dentina foram satisfatórias e superiores ao MTA e Dycal.

Effect of Using Biomimetic Analogs on Dentin Remineralization with Bioactive Cements

Abstract This study evaluated the impact of using biomimetic analogs (poly-acrylic acid and sodium tri-meta-phosphate) on dentin remineralization using two cement materials, the first is calcium silicate based and the second is calcium hydroxide based materials. Two standardized occlusal cavities (mesial and distal) were prepared within dentin after removal of occlusal enamel. Artificial demineralized dentin was induced through pH cycling (8 h in demineralizing and 16 h in remineralizing solutions). Demineralized cavities were divided into four groups; two groups received cement materials. The other groups were first treated with biomimetic analogs then restored with pulp cement materials. Teeth were sectioned buccolingually into two halves. Treated cavities with analogs were stored in simulated body fluid containing poly-acrylic acid. Untreated cavities were stored in simulated body fluid only. Ground unstained sections of demineralized dentin were examined using light microscope. Specimens were examined after 1, 6 and 12 weeks of storage using energy dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) and Vickers microhardness was evaluated. Two-way ANOVA was used to analyze data statistically. Calcium silicate-based cement group with biomimetic analogs showed the highest statistically significant calcium and phosphorous wt% in addition to highest surface hardness values after 12 weeks of storage. Demineralized dentin ground sections showed increase in light zones after total period of storage. Calcium silicate-based cement showed the best ability to enrich the artificial carious dentin with ions for remineralization. Using biomimetic analogs had a significant impact on demineralized dentin surface hardness improvement.

Resumo Este estudo avaliou o impacto do uso de análogos biomiméticos (ácido poli-acrílico e tri-meta-fosfato de sódio) na remineralização da dentina usando dois materiais de cimento, o primeiro à base de silicato de cálcio e o segundo à base de hidróxido de cálcio. Duas cavidades oclusais padronizadas (mesial e distal) foram preparadas na dentina após a remoção do esmalte oclusal. A dentina desmineralizada artificial foi induzida por ciclagem de pH (8 h em soluções desmineralizantes e 16 h em soluções remineralizantes). Cavidades desmineralizadas foram divididas em quatro grupos; dois grupos receberam materiais de cimento. Os outros grupos foram tratados primeiro com análogos biomiméticos e depois restaurados com materiais de cimento de celulose. Os dentes foram seccionados bucolingualmente em duas metades. As cavidades tratadas com análogos foram armazenadas em fluido corporal simulado contendo ácido poli-acrílico. As cavidades não tratadas foram armazenadas apenas em fluido corporal simulado. Secções não coradas de dentina desmineralizada foram examinadas usando microscópio óptico. As amostras foram examinadas após 1, 6 e 12 semanas de armazenamento usando Espectroscopia de Raios-X dispersiva por energia (EDX) e microdureza Vickers. ANOVA a dois fatores foi usada para analisar os dados estatisticamente. O grupo de cimento à base de silicato de cálcio com análogos biomiméticos apresentou os maiores percentagens em peso estatisticamente significantes de cálcio e fósforo, além dos maiores valores de dureza superficial após 12 semanas de armazenamento. Seções desmineralizadas de dentina mostraram aumento nas zonas de luz após o período total de armazenamento. O cimento à base de silicato de cálcio mostrou a melhor capacidade de enriquecer a dentina cariada artificial com íons para remineralização. O uso de análogos biomiméticos teve um impacto significativo na melhoria da dureza superficial da dentina desmineralizada.

Effect of Silver Nanoparticles on Physicochemical and Antibacterial Properties of Calcium Silicate Cements

Abstract Mineral trioxide aggregate (MTA) and Portland cement (PC) are calcium silicate cements. They have similar physicochemical, mechanical and biological properties. The addition of zirconium oxide (ZrO2) to PC provides radiopacity. Silver nanoparticles (AgNPs) may improve some properties of cements. The aim of this study was to evaluate the effect of AgNPs on physicochemical/mechanical properties and antibacterial activity of white MTA (WMTA) and PC associated with ZrO2. The following materials were evaluated: WMTA; PC 70% + ZrO2 30%; WMTA+ AgNPs; and PC 70% + ZrO2 30% + AgNPs. The study evaluated radiopacity, setting time, pH, compressive strength and solubility. For radiopacity analysis, radiographs were made alongside an aluminum (Al) step wedge. To evaluate the antibacterial activity, direct contact test was performed on planktonic cells and Enterococcus faecalis biofilm induced on bovine root dentin for 14 days. The experimental periods were 5 and 15 h. Data were obtained as CFU mL-1. The obtained data were submitted to ANOVA and Tukey tests (p<0.05). The addition of AgNPs to WMTA increased the pH, lowered the solubility and the initial and final setting times. The addition of AgNPs to PC/ZrO2 maintained the pH, lowered the solubility, and increased the setting time and compressive strength. The radiopacity of all materials was higher than 4 mmAl. The addition of AgNPs promoted an increase in antibacterial activity for calcium silicate cements and favored the physicochemical and mechanical properties of the materials.

Resumo Mineral trióxido agregado (MTA) e cimento Portland (CP) são cimentos à base de silicato de cálcio. Eles apresentam propriedades físico-químicas, mecânica e biológicas semelhantes. A adição de óxido de zircônio (ZrO2) ao CP confere radiopacidade. Nanopartículas de prata (NPsAg) podem melhorar propriedades dos cimentos. O objetivo deste estudo foi avaliar o efeito da NPsAg nas propriedades físico-químicas, mecânicas e na atividade antibacteriana do MTA branco (WMTA) e CP associado ao ZrO2. Os seguintes materiais foram avaliados: WMTA; CP 70% + ZrO2 30%; ; WMTA + NPsAg; CP 70% + ZrO2 30% + NPsAg. Foram avaliados a radiopacidade, tempo de presa, pH, resistência à compressão e solubilidade. Para análise da radiopacidade foram tiradas radiografias ao lado de uma escala de alumínio (Al). Para avaliar a atividade antibacteriana, foi realizado o teste de contato direto sobre células planctônicas e biofilme de Enterococcus faecalis formado em dentina radicular bovina durante 14 dias. Os períodos experimentais foram 5 e 15 h. Os dados foram obtidos como UFC mL-1 e submetidos aos testes de ANOVA e Tukey (p<0,05). A adição de NPsAg ao WMTA elevou o pH, diminuiu a solubilidade e os tempos de presa inicial e final. A adição de NPsAg ao CP/ZrO2 manteve o pH, diminuiu a solubilidade, aumentou o tempo de presa e a resistência à compressão. A radiopacidade de todos os materiais foi maior do que 4 mmAl. A adição de NPsAg promoveu um aumento da atividade antibacteriana dos cimentos à base de silicato de cálcio e favoreceu as propriedades físico-químicas e mecânicas dos materiais.