Fracture resistance of simulated immature teeth reinforced with different mineral aggregate-based materials

Abstract This study assessed the fracture resistance of simulated immature teeth reinforced with calcium aluminate cement (CAC) or mineral trioxide aggregate (MTA) containing calcium carbonate nanoparticles (nano-CaCO3). The microstructural arrangement of the cements and their chemical constitution were also evaluated. Forty-eight canines simulating immature teeth were distributed into 6 groups (n=8): Negative control - no apical plug or root canal filling; CAC - apical plug with CAC; CAC/nano-CaCO3 - apical plug with CAC+5% nano-CaCO3; MTA - apical plug with MTA; MTA/nano-CaCO3 - apical plug with MTA+5% nano-CaCO3; and Positive control - root canal filling with MTA. The fracture resistance was evaluated in a universal testing machine. Samples of the cements were analyzed under Scanning Electron Microscope (SEM) to determine their microstructural arrangement. Chemical analysis of the cements was performed by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). The fracture resistance of CAC/nano-CaCO3 was significantly higher than the negative control (p<0.05). There was no significant difference among the other groups (p>0.05). Both cements had a more regular microstructure with the addition of nano-CaCO3. MTA samples had more calcium available in soluble forms than CAC. The addition of nano-CaCO3 to CAC increased the fracture resistance of teeth in comparison with the non-reinforced teeth. The microstructure of both cements containing nano-CaCO3 was similar, with a more homogeneous distribution of lamellar- and prismatic-shaped crystals. MTA had more calcium available in soluble forms than CAC.

Resumo Este estudo avaliou a resistência à fratura de dentes imaturos simulados reforçados com cimento de aluminato de cálcio (CAC) ou trióxido agregado mineral (MTA) contendo nanopartículas de carbonato de cálcio (nano-CaCO3). O arranjo microestrutural dos cimentos e sua constituição química também foram avaliados. Quarenta e oito caninos simulando dentes imaturos foram distribuídos em 6 grupos (n=8): Controle negativo - sem plug apical ou obturação do canal radicular; CAC - plug apical com CAC; CAC/nano-CaCO3 - plug apical com CAC + 5% nano-CaCO3; MTA - plug apical com MTA; MTA/nano-CaCO3 - plug apical com MTA + 5% nano-CaCO3; e Controle positivo - obturação dos canais radiculares com MTA. A resistência à fratura foi avaliada em máquina universal de ensaios. Amostras dos cimentos foram analisadas em Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) para determinar seu arranjo microestrutural. A análise química dos cimentos foi realizada por Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raio-X (EDS). A resistência à fratura de CAC/nano-CaCO3 foi significativamente maior do que o controle negativo (p<0,05). Não houve diferença significativa entre os outros grupos (p>0,05). Ambos os cimentos apresentaram microestrutura mais regular com a adição de nano-CaCO3. As amostras de MTA apresentaram mais cálcio disponível em formas solúveis do que CAC. A adição de nano-CaCO3 ao CAC aumentou a resistência à fratura dos dentes em comparação aos dentes não reforçados. A microestrutura de ambos os cimentos contendo nano-CaCO3 foi semelhante, com uma distribuição mais homogênea de cristais de formato lamelar e prismático. MTA apresentou mais cálcio disponível nas formas solúveis do que CAC.

Repair of Bone Defects with Chitosan-Collagen Biomembrane and Scaffold Containing Calcium Aluminate Cement

Abstract Innovative biomaterials can provide a promising new direction for the treatment of bone defects, stimulating a proper repair process, with no damage to adjacent tissues. The purpose of this in vivo study was to evaluate the biocompatibility and the osteoinductive capacity of chitosan-collagen biomembrane and scaffold containing calcium aluminate cement. Eighteen New Zealand white rabbits (Oryctolagus cuniculus) were distributed according to the experimental times of analysis (7, 15 and 30 days). Four bone defects were created in the rabbits calvaria, which were individually filled with the biomembrane, scaffold, blood clot (negative control) and autologous bone (positive control). Histopathological analysis was performed using optical microscope at 32´, 64´, 125´ and 320´ magnifications. Cell response to inflammation and new bone tissue formation was quantified using a score system. The biomembrane group presented greater inflammatory response at 15 days, with significant difference to autologous bone group (p<0.05). There was no statistically significant difference for foreign body type reaction among groups (p>0.05). Concerning new bone formation, linear closure of the defect area was observed more evidently in the group with autologous bone. The scaffold group presented similar results compared with the autologous bone group at 30 days (p>0.05). Both tested biomaterials presented similar biocompatibility compared with the control groups. In addition, the biomembrane and scaffold presented similar osteoinductive capacity, stimulating bone repair process in the course of the experimental time intervals.

Resumo Biomateriais inovadores podem fornecer uma promissora nova direção para o tratamento de defeitos ósseos, estimulando um processo de reparo adequado, sem danos aos tecidos adjacentes. O objetivo deste estudo in vivo foi avaliar a biocompatibilidade e a capacidade osteoindutora de uma biomembrana e um scaffold compostos por colágeno e quitosana, contendo cimento de aluminato de cálcio. Dezoito coelhos (New Zealand White, Oryctolagus cuniculus) foram distribuídos de acordo com os períodos experimentais de análise (7, 15 e 30 dias). Quatro defeitos foram criados na calvaria dos coelhos, que foram individualmente preenchidos com a biomembrana, scaffold, coágulo (controle negativo) e osso autólogo (controle positivo). A avaliação histopatológica foi realizada em microscópio óptico em aumentos de 32´, 64´, 125´ e 320´. A resposta celular à inflamação e à formação de novo tecido ósseo foi quantificada utilizando um sistema de escore. O grupo da biomembrana apresentou maior resposta inflamatória no período de 15 dias, com diferença significativa para o grupo do osso autólogo (p<0,05). Não houve diferença estatística significante para a reação do tipo corpo estranho entre os grupos (p>0,05). Em relação à neoformação óssea, observou-se fechamento linear da área do defeito, que foi mais evidente no grupo em que se utilizou o osso autólogo. O grupo scaffold apresentou resultados semelhantes ao grupo do osso autólogo no período de 30 dias (p>0,05). Ambos os biomateriais testados apresentaram biocompatibilidade similar em comparação com os grupos controle. Além disso, a biomembrana e o scaffold apresentaram capacidade osteoindutora similar, estimulando o reparo ósseo ao longo dos intervalos de tempo experimentais.

Cytotoxicity of New Calcium Aluminate Cement (EndoBinder) Containing Different Radiopacifiers

Abstract This study aimed to evaluate the cytotoxicity of a calcium aluminate cement (EndoBinder) containing different radiopacifiers, Bi2O3, ZnO or ZrO2, compared with Mineral Trioxide Aggregate (MTA). According to ISO 10993-12:2012 (E) recommendations, 0.2 g of each cement were applied in transwell inserts and placed in 24-well culture plates containing 1 mL of culture medium (DMEM). After 24 h of incubation, the extracts (DMEM containing components released from the cements) were applied to immortalized odontoblast-like MDPC-23 cells. Cell viability (MTT test), alkaline phosphatase activity (ALP), total protein production and cell morphology (Scanning Electron Microscopy - SEM) were evaluated. The volume of 50 µL of extract was used to determine the chemical elements released by the cements using Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). The following groups were established (n=6): NC - negative control (without treatment); EB - EndoBinder without radiopacifier; EBBO - EndoBinder+Bi2O3; EBZnO - EndoBinder+ZnO; EBZrO - EndoBinder+ZrO2 and WMTA - White MTA. Data were subjected to statistical analysis (Kruskal-Wallis test, level of significance=5%). Cells exposed to the different versions of EndoBinder presented small reduction in viability, total protein production and ALP activity, with values similar to the NC and WMTA groups (p>0.05). Different elements (C, O, Na, Al, P, Si, Cl, Bi, K) released by the cements were detected in the extracts. However, the cells had no significant changes in their morphology. EndoBinder and MTA did not affect negatively the metabolism of the odontoblastic-like cells, showing it to be cytocompatible, irrespective of the used radiopacifier.

Resumo Este estudo avaliou a citotoxicidade de um cimento de aluminato de cálcio (EndoBinder) contendo diferentes radiopacificadores, Bi2O3, ZnO ou ZrO2, comparativamente ao trióxido mineral agregado (MTA). Seguindo a norma ISO 10993-12:2012 (E), 0,2 g de cada cimento foi aplicada em insertos transwell, que foram colocados em placas de cultura de 24 wells contendo 1 mL de meio de cultura (DMEM). Após 24 h de incubação, os extratos (DMEM contendo componentes liberados dos cimentos) foram aplicados sobre células pulpares imortalizadas MDPC-23. Viabilidade celular (teste de MTT), atividade da fosfatase alcalina (ALP), produção de proteína total e a morfologia das células (Microscópio Eletrônico de Varredura - MEV) foram avaliadas. Um volume de 50 µL do extrato foi utilizado para determinar, através de Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), os elementos químicos liberados pelos cimentos. Os seguintes grupos foram estabelecidos (n=6): NC - controle negativo (sem tratamento); EB - EndoBinder sem radiopacificador; EBBO - EndoBinder+Bi2O3; EBZnO - EndoBinder+ZnO; EBZrO - EndoBinder+ZrO2 e WMTA - MTA branco. Os dados foram submetidos à análise estatística (teste de Kruskal-Wallis, nível de significância=5%). Células expostas às diferentes versões de EndoBinder apresentaram pequena redução na viabilidade, produção de proteína total e atividade da ALP, com valores semelhantes aos grupos NC e WMTA (p>0,05). Diversos elementos (C, O, Na, Al, P, Si, Cl, Bi, K) liberados pelos cimentos foram detectados nos extratos. Entretanto, as células não apresentaram alterações significativas em sua morfologia. EndoBinder e MTA, não afetaram negativamente o metabolismo das células odontoblastóides, mostrando-se citocompatíveis, independente do radiopacificador utilizado.

Effects of a novel calcium aluminate cement on the early events of the progressionof osteogenic cell cultures

The present study evaluated the progression of osteogenic cell cultures exposed to a novel calcium aluminate cement (CAC+) in comparison with the gold standard mineral trioxide aggregate (MTA). Cells were enzimatically isolated from newborn rat calvarial bone, plated on glass coverslips containing either CAC+ or a control MTA samples in the center, and grown under standard osteogenic conditions. Over the 10-day culture period, roundening of sample edges was clearly noticed only for MTA group. Although both cements supported osteogenic cell adhesion, spreading, and proliferation, CAC+-exposed cultures showed significantly higher values in terms of total cell number at days 3 and 7, and total protein content and alkaline phosphatase activity at day 10. The present in vitro results indicate that the exposure to CAC+ supports a higher differentiation of osteogenic cells compared with the ones exposed to MTA. Further experimental studies should consider CAC+ as a potential alternative to MTA when the repair of mineralized tissues is one of the desired outcomes in endodontic therapy.

O objetivo do presente estudo foi avaliar a progressão de cultura de células osteogênicas expostas a um novo cimento de aluminato de cálcio (CAC+) em comparação ao agregado de trióxido mineral (MTA). As células foram obtidas por digestão enzimática de calvária de ratos recém-nascidos, plaqueadas sobre lamínulas de vidro contendo em sua área central discos de CAC+ ou MTA e crescidas em condições osteogênicas por até 10 dias. Durante a cultura primária, observou-se o arredondamento das bordas das amostras de cimento apenas para MTA. Embora ambos os cimentos tenham permitido a adesão, o espraiamento e a proliferação celulares, as culturas crescidas em contato com CAC+ exibiram valores maiores de número total de células em 3 e 7 dias, e de conteúdo de proteína total e atividade de fosfatase alcalina em 10 dias. Os resultados indicam que a exposição ao CAC+ permite o desenvolvimento de uma proporção maior de células em estágios mais avançados da diferenciação osteoblástica, quando comparado ao MTA. Deve-se considerar em futuros estudos experimentais a utilização do CAC+ como um material alternativo ao MTA especialmente quando um dos objetivos do tratamento endodôntico é o de reparação dos tecidos mineralizados da região periapical.