Ο Ρόλος των Ιδιοτήτων της Μυλικής Επιφάνειας των Εμφυτευμάτων στην Πρώιμη Προσκόλληση του Streptococcus oralis — Μια In Vitro Συγκριτική Μελέτη

Xuesong Wang¹, Robert S. Liddell², Hai Bo Wen¹, John E. Davies², Elnaz Ajami¹

Φορείς: ¹Research and Development, ZimVie Dental, Palm Beach Gardens, Florida, USA | ²Faculty of Dentistry, University of Toronto, Toronto, Ontario, Canada

Δημοσίευση: Ελήφθη: 15 Οκτωβρίου 2024 | Αναθεωρήθηκε: 2 Δεκεμβρίου 2024 | Έγινε δεκτό: 20 Δεκεμβρίου 2024

Λέξεις-κλειδιά: βακτηριακή προσκόλληση | βιοφίλμ | περιεμφυτευματίτιδα | στατιστικές μέθοδοι | τραχύτητα επιφάνειας

Περίληψη

Οι μυλικές επιφάνειες των οδοντικών εμφυτευμάτων, οι οποίες σχεδιάζονται με πρωταρχικό στόχο τη διατήρηση των επιπέδων του φατνιακού οστού, ενδέχεται να ευνοούν τη βακτηριακή προσκόλληση, οδηγώντας σε φλεγμονή των μαλακών μορίων και την απώλεια του περιεμφυτευματικού οστού. Η επίτευξη μιας βέλτιστης τραχύτητας επιφάνειας που ελαχιστοποιεί τη βακτηριακή προσκόλληση ενώ παράλληλα διατηρεί το φατνιακό οστό είναι καθοριστικής σημασίας. Βασική υπόθεση της παρούσας μελέτης είναι η ύπαρξη μιας οριακής τιμής τραχύτητας, πέραν της οποίας (χαμηλότερα ή υψηλότερα) η αρχική βακτηριακή προσκόλληση παραμένει στατιστικά αμετάβλητη. Η μελέτη αυτή αξιολόγησε τις φυσικοχημικές ιδιότητες και την αρχική βακτηριακή προσκόλληση —με μοντέλο-μελέτης τον Streptococcus oralis (S. oralis), τον κυρίαρχο πρώιμο αποικιστή των διαδοχικών κυμάτων μικροβιακών κοινοτήτων που οδηγούν στη δημιουργία πλάκας και βιοφίλμ— σε 12 εμπορικά διαθέσιμες και 2 ειδικά σχεδιασμένες επιφάνειες εμφυτευμάτων. Τα εμφυτεύματα εμβαπτίστηκαν σε ένα εναιώρημα S. oralis για 4 ώρες, μετά το πέρας των οποίων αξιολογήθηκε η βιωσιμότητα των μικροβίων. Έπειτα από τις πειραματικές διαδικασίες παρατηρήθηκαν έντονες διαφορές στην τραχύτητα της επιφάνειας, στη χημική σύσταση, στη διαβρεξιμότητα, καθώς και στην προσκόλληση του S. oralis. Οι επιφάνειες με Sa > 1μm παρουσίασαν σημαντικά περισσότερα προσκολλημένα βακτήρια μετά από 4 ώρες σε σύγκριση με εκείνες με Sa < 1μm, παρά την πολυπλοκότητά τους. Η προσθήκη νανοτοπογραφίας σε επιφάνειες που είχαν υποστεί διπλή αδροποίηση με οξέα μείωσε περαιτέρω τη βακτηριακή προσκόλληση σε σύγκριση με επιφάνειες που δε διέθεταν αυτά τα χαρακτηριστικά. Ο ρόλος της χημικής σύστασης και της διαβρεξιμότητας ήταν λιγότερο επιδραστικός από αυτόν της τραχύτητας. Συμπερασματικά, υπάρχει ένα κατώφλι τραχύτητας γύρω στο Sa = 1μm, πάνω από το οποίο η προσκόλληση των βακτηρίων αυξάνεται σημαντικά μέχρι ένα επίπεδο· ενώ κάτω από αυτό, η βακτηριακή προσκόλληση είναι ισοδύναμη με εκείνη μιας λείας/μηχανικά επεξεργασμένης επιφάνειας, ανεξάρτητα από την υφή της επιφάνειας του αυχένα του εμφυτεύματος.

Εισαγωγή

Ο επιπολασμός της περιεμφυτευματικής βλεννογονίτιδας και της περιεμφυτευματίτιδας παρουσιάζει ανησυχητική αυξητική τάση τις τελευταίες δεκαετίες. Στατιστικά στοιχεία δείχνουν ότι η περιεμφυτευματική βλεννογονίτιδα –μια αναστρέψιμη φλεγμονή των μαλακών μορίων– επηρεάζει το 20% έως 88% των ασθενών μετά από 5 έτη [1-4]. Αντίθετα, η περιεμφυτευματίτιδα προκαλεί προοδευτική απώλεια του υποστηρικτικού οστού και εμφανίζει συχνότητα έως 18,5% σε επίπεδο ασθενούς, με τον κίνδυνο να αυξάνεται ραγδαία μέσα στην πρώτη πενταετία [7].

Παρά την ύπαρξη πολλαπλών παραγόντων κινδύνου (κάπνισμα, διαβήτης, κακή υγιεινή), οι νόσοι αυτές έχουν αποδεδειγμένα βακτηριακή αιτιολογία [8,9]. Η μικροχλωρίδα που τις προκαλεί είναι Gram-αρνητική αναερόβια, παρόμοια με εκείνη της προχωρημένης περιοδοντίτιδας [10]. Ο Streptococcus oralis δρα ως ο κυρίαρχος αρχικός αποικιστής μέσα στις πρώτες 6 ώρες από την τοποθέτηση του εμφυτεύματος, λειτουργώντας ως «άγκυρα» για την προσκόλληση των επόμενων παθογόνων ειδών και τον σχηματισμό βιοφίλμ [11]. Επομένως, η στρατηγική εστίαση στην αποτροπή της αρχικής μικροβιακής προσκόλλησης είναι καθοριστική για την πρόληψη των λοιμώξεων [12].

Οι φυσικοχημικές ιδιότητες της επιφάνειας του εμφυτεύματος, με κυριότερες την τραχύτητα (Sa) και τη διαβρεξιμότητα, επηρεάζουν άμεσα τη συσσώρευση της πλάκας [13, 14]. Εδώ όμως ανακύπτει ένα κλινικό παράδοξο: οι επιφάνειες και οι αυχένες που σχεδιάζονται με υψηλή τραχύτητα για να διεγείρουν την οστεοενσωμάτωση και να διατηρήσουν το ύψος του φατνιακού οστού, ταυτόχρονα διεγείρουν και τη βακτηριακή προσκόλληση [15-18].

Η βιβλιογραφία παραμένει αντιφατική, καθώς ορισμένες κλινικές μελέτες δείχνουν μικρότερη οστική απώλεια σε λείους αυχένες (Sa ~ 0,2 μ m), ενώ άλλες ευνοούν αυχένες διπλής αδροποίησης με οξέα (Sa ~ 0,4 μ m) [19-22]. Αυτό εύλογα γεννά το ερώτημα: Υπάρχει μια βέλτιστη τραχύτητα στη μυλική επιφάνεια του εμφυτεύματος, η οποία να εξισορροπεί τη μειωμένη βακτηριακή προσκόλληση με τη διατήρηση των επιπέδων του οστού; [23-34]

Η παρούσα εργαστηριακή μελέτη επιχειρεί να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα, αξιολογώντας συστηματικά την επίδραση της τοπογραφίας, της χημικής σύστασης και της διαβρεξιμότητας 12 εμπορικών και 2 πειραματικών επιφανειών εμφυτευμάτων στην αρχική προσκόλληση του S. Oralis (Πίνακας 1). Κεντρική υπόθεση της έρευνας είναι ότι ενδέχεται να υπάρχει μια συγκεκριμένη οριακή τιμή (κατώφλι) τραχύτητας επιφάνειας, κάτω και πάνω από την οποία η αρχική βακτηριακή προσκόλληση σταματά να μεταβάλλεται στατιστικά.

2.1.2 | Χημική Σύσταση

Η χημική σύσταση των αυχενικών επιφανειών των εμφυτευμάτων αξιολογήθηκε μέσω φασματοσκοπίας ακτίνων Χ ενεργειακής διασποράς (EDS). Πραγματοποιήθηκε ημιποσοτική ανάλυση για να προσδιοριστούν τα ατομικά ποσοστά των στοιχείων της επιφάνειας, με ιδιαίτερη έμφαση στον εντοπισμό τυχόν υπολειμμάτων από τα υλικά αμμοβολής ή επεξεργασίας.

2.1.3 | Διαβρεξιμότητα Επιφάνειας

Η διαβρεξιμότητα προσδιορίστηκε με τη μέσo της γωνίας επαφής καθιστής σταγόνας νερού (WCA). Για να απομονωθεί η επίδραση της τραχύτητας της επιφάνειας στη διαβρεξιμότητα, υπολογίστηκε η διορθωμένη γωνία επαφής του Young με βάση την εξίσωση του Wenzel και το λόγο τραχύτητας (r). Δοκιμάστηκαν τρία εμφυτεύματα ανά ομάδα. Για να ληφθεί υπόψη η επίδραση της τραχύτητας της επιφάνειας, η γωνία επαφής του Young υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Wenzel ως εξής:

cosθ_m = rcosθ_Y

όπου θ_m αντιπροσωπεύει τη μετρούμενη γωνία επαφής, θ_Y αντιπροσωπεύει τη γωνία επαφής Young και r είναι ο λόγος τραχύτητας (roughness ratio). Ο λόγος τραχύτητας υπολογίστηκε με βάση τη σχέση της πραγματικής επιφάνειας προς την προβαλλόμενη επιφάνεια, σύμφωνα με την παρακάτω εξίσωση:

r = 1 + Sdr

2.1.4 | Βακτηριακή Προσκόλληση

Ως μικροβιακό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε το στέλεχος Streptococcus oralis (ATCC 6249), καλλιεργημένο σε ζωμό BHI. Τα εμφυτεύματα τοποθετήθηκαν σε ειδικές αποστειρωμένες βάσεις τιτανίου εντός πλακών 24 φρεατίων, εκθέτοντας τον αυχένα τους σε βακτηριακό εναιώρημα (10⁶ CFU/mL) για 4 ώρες (Εικόνα 1).

2.2 | Στατιστική Ανάλυση

Για τις στατιστικές αναλύσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό GraphPad Prism 8. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση διακύμανσης απλής κατεύθυνσης (One-way ANOVA) με δοκιμή πολλαπλών συγκρίσεων για τον προσδιορισμό των στατιστικά σημαντικών διαφορών μεταξύ των ομάδων ως προς τις τιμές τραχύτητας (Sa), τη γωνία επαφής νερού (WCA) και την ποσότητα των προσκολλημένων βακτηρίων. Το επίπεδο στατιστικής σημαντικότητας ορίστηκε σε p ≤ 0,05.

Οι μικρογραφίες σάρωσης ηλεκτρονικού μικροσκοπίου (SEM) αποκάλυψαν ευδιάκριτες διαφορές στη μορφολογία του αυχένα των εμφυτευμάτων, οι οποίες αντικατοπτρίζουν τις μεθόδους κατασκευής τους (Εικόνα 2). Οι λείες, μηχανικά επεξεργασμένες επιφάνειες (CP4, κράμα, TiUL) εμφάνισαν επίπεδη όψη με παράλληλες γραμμές κατεργασίας. Αντίθετα, οι επιφάνειες διπλής αδροποίησης με οξέα (DAE-CP, DAE-alloy) παρουσίασαν μια ομοιόμορφη μικροτοπογραφία με κορυφές και κοιλάδες μεγέθους 1–3 μm.

Η προσθήκη νανοτοπογραφίας (DAE-NT-CP, DAE-NT-alloy) οδήγησε σε μερική εξάλειψη των μικρότερων κοιλωμάτων αδροποίησης, αποκαλύπτοντας όμως μια σαφή νανοσωληναριακή δομή με εσωτερική διάμετρο ~80–100 nm (Εικόνα 2). Οι επιφάνειες αμμοβολής (GB-MT, GB-SB, GB-OSS) εμφάνισαν αδρές κοιλάδες μικρομετρικής κλίμακας, ενώ στην GB-OSS και τη BAE-SL εντοπίστηκαν ενσωματωμένα υπολείμματα από τα υλικά αμμοβολής.

Τέλος, η επιφάνεια TiUN παρουσίασε μια έντονα πορώδη δομή με πόρους διαμέτρου 1–3 μm, ορισμένοι εκ των οποίων ήταν συνενωμένοι (7–10 μm). Η επιφάνεια BAE-C εμφάνισε κρατήρες μεγάλης κλίμακας (~10 μm) με υπερκείμενους μικρότερους κρατήρες, ενώ η επιφάνεια LAS (λέιζερ) αποκάλυψε βαθιά, παράλληλα κανάλια με πλάτος κορυφών και κοιλάδων στα ~7,5 μm.

3.2 | Χημική Σύσταση

Η στοιχειακή χαρτογράφηση EDS επιβεβαίωσε ότι η πλειονότητα των επιφανειών αποτελούνταν από τιτάνιο (Ti), άνθρακας (C) και οξυγόνο (O), με την προσθήκη αλουμινίου (Al) και βαναδίου (V) στα εμφυτεύματα από κράμα Ti-6Al-4V. Ανιχνεύθηκαν επίσης στοιχεία που προέρχονται από τις διαδικασίες επεξεργασίας, όπως ασβέστιο (Ca) και φώσφορος (P) από την αμμοβολή υδροξυαπατίτη στις GB-MT/GB-SB, φθόριο (F) από τον ηλεκτρολύτη ανοδίωσης στις επιφάνειες DAE-NT, καθώς και ίχνη Zr, Na και Al στην επιφάνεια BAE-SL από υπολείμματα αμμοβολής αλουμίνας. Ωστόσο, αυτές οι ανεπαίσθητες διαφορές στη χημική σύσταση του υποστρώματος δεν θεωρείται ότι έχουν κλινική ή βιολογική σημασία.

3.3 | Τραχύτητα (Sa) και Διαβρεξιμότητα (WCA) Επιφάνειας

Οι μέσες τιμές τραχύτητας (Sa) των λείων, μηχανικά επεξεργασμένων επιφανειών μετρήθηκαν περίπου στα 0,3 μm. Η επιφάνεια TiUL εμφάνισε τη χαμηλότερη μέση τιμή τραχύτητας (~0,15 μm) λόγω του υβριδικού της σχεδιασμού που μεταβαίνει σταδιακά σε ένα πιο λείο φινίρισμα στην αυχενική περιοχή. Οι υπόλοιπες ανάγλυφες επιφάνειες παρουσίασαν κλιμακούμενη τραχύτητα, με τις πιο τραχείες να ξεπερνούν το όριο του 1 μm.

Όσον αφορά τη διαβρεξιμότητα, οι λείες επιφάνειες, οι επιφάνειες διπλής αδροποίησης (DAE), η TiUL καθώς και οι επιφάνειες αμμοβολής (GB) εμφάνισαν γωνία επαφής (WCA < 90°), υποδεικνύοντας υδρόφιλη κατάσταση. Αντίθετα, η προσθήκη νανοτοπογραφίας (DAE-NT) μετέβαλε ριζικά τη συμπεριφορά του υλικού, αυξάνοντας τη γωνία επαφής στις ~165° και καθιστώντας τις επιφάνειες υδρόφοβες. Υδρόφοβη συμπεριφορά (WCA > 90°) εμφάνισαν επίσης οι επιφάνειες TiUN, BAE-C, BAE-SL και LAS, με την τελευταία να καταγράφει τη μέγιστη τιμή στις 170°.

3.4 | Βακτηριακή Προσκόλληση

Η ποσοτική αξιολόγηση μέσω απορρόφησης (Εικόνα 3C) έδειξε ότι οι ανάγλυφες επιφάνειες διπλής αδροποίησης (DAE-CP και DAE-alloy), καθώς και η υβριδική TiUL, δεν παρουσίασαν στατιστικά σημαντική διαφορά στην ποσότητα των προσκολλημένων βακτηρίων σε σύγκριση με τις λείες επιφάνειες. Αυτό αποδίδεται στις παρόμοιες τιμές τραχύτητας (Sa) μεταξύ τους, παρά τις μορφολογικές τους διαφορές. Αντίθετα, η προσθήκη νανοτοπογραφίας (DAE-NT) οδήγησε σε σημαντική μείωση της βακτηριακής προσκόλλησης, φέρνοντας τον αριθμό των μικροβίων σε επίπεδα ακόμη χαμηλότερα από αυτά των λείων επιφανειών. Στις υπόλοιπες ανάγλυφες επιφάνειες με Sa > 1 μ m, καταγράφηκε κατακόρυφη και στατιστικά σημαντική αύξηση της βακτηριακής συσσώρευσης.

Οι ποιοτικές παρατηρήσεις στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) ευθυγραμμίστηκαν απόλυτα με τα ποσοτικά δεδομένα, αποκαλύπτοντας παράλληλα τα μοτίβα προτίμησης των βακτηρίων ανάλογα με την υφή της επιφάνειας. Στις λείες επιφάνειες και τις επιφάνειες DAE, ο S. oralis εμφάνισε μια διάσπαρτη, τυχαία κατανομή χωρίς σχηματισμό μικροβιακών μαζών. Η διασπορά αυτή ήταν ακόμη πιο έντονη στις νανοδομημένες επιφάνειες (DAE-NT).

Αντίθετα, στις πιο τραχείες επιφάνειες παρατηρήθηκε έντονη τάση συσσωμάτωσης. Στις επιφάνειες αμμοβολής (GB), τα βακτήρια συγκεντρώθηκαν γύρω από τις ακμές των κρατήρων, ενώ στην ανοδιωμένη επιφάνεια TiUN εμφάνισαν σαφή προτίμηση να εγκαθίστανται προστατευμένα στο εσωτερικό των μικρομετρικών πόρων. Στην επιφάνεια BAE-SL, η μικροβιακή πλάκα κάλυψε και «αφάνισε» σχεδόν εξ ολοκλήρου το υπόστρωμα, ενώ στις επιφάνειες LAS, οι κοιλάδες των καναλιών αποτέλεσαν το κύριο καταφύγιο συσσώρευσης των βακτηριακών αποικιών.

3.5 | Μαθηματική Μοντελοποίηση της Προσκόλλησης

Η στατιστική ανάλυση της βακτηριακής προσκόλλησης σε συνάρτηση με τις ιδιότητες του υλικού επιβεβαίωσε την ύπαρξη μιας ισχυρής, άμεσης σχέσης με την Sa, η οποία ακολουθεί μια σαφή σιγμοειδή καμπύλη (Εικόνα 4). Αντίθετα, η μοντελοποίηση με βάση τη διαβρεξιμότητα έδειξε εξαιρετικά χαμηλή πιστότητα (R² = 0,05), αποδεικνύοντας την απουσία οποιασδήποτε σαφούς σχέσης μεταξύ της γωνίας επαφής και της αρχικής προσκόλλησης των βακτηρίων.

4.1 | Η Κυριαρχία της Τραχύτητας έναντι της Διαβρεξιμότητας

Η παρούσα in vitro μελέτη αποδεικνύει ότι η Sa ασκεί πολύ πιο καθοριστική επίδραση στη βακτηριακή προσκόλληση σε σχέση με τη διαβρεξιμότητα. Το εύρημα αυτό επιβεβαιώνεται από την ισχυρή στατιστική συσχέτιση (R = 0,88) μεταξύ της ποσότητας των προσκολλημένων βακτηρίων και της τραχύτητας, η οποία υπερβαίνει κατά πολύ τη συσχέτιση με τη γωνία επαφής (R = 0,22).

Συγκεκριμένα, παρατηρήθηκε παρόμοια μικροβιακή συσσώρευση σε επιφάνειες με εντελώς διαφορετική υδροφιλία αλλά παραπλήσια τραχύτητα (GB-OSS και BAE-SL). Αντίστοιχα, ακόμη και οι υπερυδρόφοβες επιφάνειες (WCA =150^ο), όπως οι TiUN και LAS, δεν κατάφεραν να μειώσουν τη βακτηριακή προσκόλληση λόγω της αυξημένης μικροτοπογραφίας τους, η οποία ανέτρεψε οποιαδήποτε ευνοϊκή ιδιότητα της υδροφοβίας.

4.2 | Το Κλινικό «Κατώφλι» Τραχύτητας (Sa = 0,92μm)

Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την ύπαρξη ενός κρίσιμου ορίου τραχύτητας γύρω στο (Sa = 0,92 μm), το οποίο λειτουργεί ως διαχωριστική γραμμή για το βιοφίλμ:

• Κάτω από αυτό το όριο: Οι ανάγλυφες επιφάνειες εμφανίζουν αρχική βακτηριακή συσσώρευση εξαιρετικά χαμηλή, απολύτως συγκρίσιμη με εκείνη των λείων/μηχανικά επεξεργασμένης κοπής.
• Πάνω από αυτό το όριο: Παρατηρείται κατακόρυφη αύξηση της βακτηριακής προσκόλλησης μέχρι ένα επίπεδο σταθεροποίησης, ανεξάρτητα από άλλες φυσικοχημικές ιδιότητες.

Το συγκεκριμένο κατώφλι ευθυγραμμίζεται με το ιστορικό έργο των Quirynen κ.ά., [29] οι οποίοι είχαν δείξει ότι οι υποουλικές τραχείες επιφάνειες μπορούν να φιλοξενήσουν έως και 25 φορές περισσότερα βακτήρια από τις λείες.

4.3 | Ο Μηχανισμός των Μικροκρυπτών (Micro-niches)

Η προτίμηση του S. oralis για τις τραχείες επιφάνειες εξηγείται γεωμετρικά. Όταν οι δομικές διαστάσεις της επιφάνειας (όπως οι πόροι της TiUN, οι αυλακώσεις λέιζερ της LAS ή οι κρατήρες της BAE-SL) είναι μεγαλύτερες από το μέγεθος ενός βακτηρίου (0,5-1μm), δημιουργούνται προστατευμένες μικροκρύπτες (niches). Μέσα σε αυτές, τα βακτήρια βρίσκουν μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής, φωλιάζουν ανενόχλητα και αναπτύσσουν ισχυρή αντίσταση έναντι των διατμητικών δυνάμεων (όπως η ροή του σάλιου ή η μηχανική απομάκρυνση).

Αντίθετα, οι επιφάνειες με χαρακτηριστικά μικρότερα από το μέγεθος των μικροοργανισμών, όπως οι νανοδομημένες επιφάνειες DAE-NT, τείνουν να εμποδίζουν την αρχική προσκόλληση, μειώνοντας τα βακτήρια στα επίπεδα μιας λείας επιφάνειας, πιθανώς και λόγω της αντιβακτηριακής δράσης του φθορίου που ενσωματώνεται κατά την ανοδίωσή τους.

4.4 | Το Ιδανικό Σχέδιο Αυχένα: Η Ταξινόμηση σε 4 Ομάδες

Στην κλινική πράξη, οι επιφάνειες με υψηλή τραχύτητα είναι απαραίτητες για τη συγκράτηση του φατνιακού οστού [49] και την επιτάχυνση της οστεοενσωμάτωσης, αλλά επικίνδυνες για τη δημιουργία βιοφίλμ. Με βάση αυτή τη διπλή παράμετρο, οι αυχενικές επιφάνειες των εμφυτευμάτων ταξινομούνται σε τέσσερις ομάδες:

1. Μη ανάγλυφες (λείες/μηχανικά επεξεργασμένες) με (Sa < 0,5μm): Ευνοϊκές ενάντια στα βακτήρια, αλλά παρουσιάζουν υψηλή απώλεια φατνιακού οστού.
2. Ανάγλυφες με (Sa < 0,5 μm) (π.χ. DAE): Ιδανικός συνδυασμός. Είναι λιγότερο πρόσφορες για βακτήρια και εμφανίζουν χαμηλή απώλεια φατνιακού οστού.
3. Τραχείες με (0,5 μm < Sa < 1 μm ): Προσφέρουν ενδιάμεσο επίπεδο βακτηριακής προσκόλλησης και καλή διατήρηση του οστού.
4. Πιο τραχείες με (Sa > 1 μm) (π.χ. αμμοβολή/λέιζερ): Εξαιρετικές για το οστό, αλλά υψηλά επιρρεπείς σε βακτηριακή προσκόλληση και περιεμφυτευματικές λοιμώξεις.

5 | Συμπεράσματα

Συμπεράσματα

• Κυριαρχία τοπογραφίας: Η μορφολογία και η τραχύτητα της αυχενικής επιφάνειας του εμφυτεύματος ασκούν πολύ πιο καθοριστική επίδραση στην αρχική βακτηριακή προσκόλληση σε σχέση με τη διαβρεξιμότητα (υδρόφιλη/υδρόφοβη κατάσταση).
• Κλινικό κατώφλι τραχύτητας: Επιβεβαιώνεται η ύπαρξη ενός κρίσιμου ορίου τραχύτητας γύρω στο (Sa = 1μm). Πάνω από αυτή την τιμή, η συσσώρευση των βακτηρίων αυξάνεται κατακόρυφα. Αντίθετα, κάτω από το συγκεκριμένο όριο, το προφίλ προσκόλλησης παραμένει χαμηλό και ισοδύναμο με εκείνο μιας λείας, μηχανικά επεξεργασμένης επιφάνειας (machined), ανεξάρτητα από την ιδιαίτερη υφή του αυχένα.
• Η κλινική υπεροχή των επιφανειών DAE: Οι ανάγλυφες επιφάνειες διπλής αδροποίησης με οξέα (DAE) —ιδιαίτερα με την προσθήκη νανοτοπογραφίας— επιτυγχάνουν τον ιδανικό κλινικό στόχο. Καθυστερούν τη βακτηριακή προσκόλληση στα επίπεδα μιας λείας επιφάνειας, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζουν τη διατήρηση των επιπέδων του φατνιακού οστού εξίσου αποτελεσματικά με τις πιο τραχείες επιφάνειες.

Πίνακας 1: Λϊστα με τα εμφυτεύματα που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα

Εικόνα 1: (Α) Προσαρμοσμένη βάση τιτανίου για την τοποθέτηση των εμφυτευμάτων σε πλακέτες φρεατίων. (Β) Εμφύτευμα τοποθετημένο πάνω στη βάση. (C) Η βάση με το εμφύτευμα τοποθετημένη σε πλακέτα 24 φρεατίων για τα πειράματα βακτηρια.

Εικόνα 2: Ηλεκτρονικές μικρογραφίες σάρωσης (SEM) των (A1, A2) Mach-CP, (B1, B2) Mach-alloy, (C1, C2) TiUL, (D1, D2) DAE-CP, (E1, E2) DAE-alloy, (F1, F2) DAE-NT-CP, (G1, G2) DAE-NT-alloy, (H1, H2) GB-MT, (I1, I2) GB-SB, (J1, J2) GB-OSS, (K1, K2) TiUN, (L1, L2) BAE-C, (M1, M2) BAE-SL και (N1, N2) LAS σε διαφορετικές μεγεθύνσεις ×200 και ×2000 (μπάρες κλίμακας = 100 και 5μm, αντιστοίχως). Οι ένθετες εικόνες (inset images) στις F2 και G2 δείχνουν εικόνες υψηλότερης μεγέθυνσης των επιφανειών στις F και G στο ×50k για να καταδειχθεί σαφώς η νανοτοπογραφία και η διάμετρος των σωληνοειδών δομών (μπάρες κλίμακας = 500nm).

Οι αστερίσκοι στη J2 δείχνουν τα υπολείμματα στην επιφάνεια GB-OSS που διακρίνονται από το γεωμετρικό τους σχήμα και τη διαφορά contrast. Τα βέλη στη K2 δείχνουν τους συνδεδεμένους πόρους μεγάλης διαμέτρου και τα βέλη στην ένθετη εικόνα στη K2 δείχνουν τις ρωγμές στο στρώμα οξειδίου (μπάρα κλίμακας = 5μm. Τα βέλη στην M1 δείχνουν τα υπολείμματα στην επιφάνεια BAE-SL. Τα βέλη στην N1 δείχνουν ορισμένα χαρακτηριστικά μεταξύ των καναλιών λέιζερ της επιφάνειας LAS.

Εικόνα 3: (Α) Τραχύτητα επιφάνειας των δοκιμαζόμενων επιφανειών κολάρου εμφυτευμάτων σε τιμές $Sa$. Χαρτογραφήθηκαν τέσσερα σημεία ανά εμφύτευμα. (Β) Διαβρεξιμότητα των επιφανειών κολάρου όπως μετρήθηκε με τη μέθοδο της στατικής σταγόνας WCA. Δοκιμάστηκαν τρία εμφυτεύματα ανά ομάδα. (C) Προσκολλημένα βακτήρια στις επιφάνειες κολάρου όπως μετρήθηκαν με απορρόφηση στα 450nm. Οι δοκιμές έγιναν σε τρία αντίγραφα ανά τρεις φορές. Τα δεδομένα παρουσιάζονται ως μέσος όρος ± τυπικής απόκλισης. Οι διακεκομμένες γραμμές στο (Α) αντιπροσωπεύουν την ταξινόμηση τραχύτητας επιφάνειας σύμφωνα με τους Albrektsson et al. [15]. Η διακεκομμένη γραμμή στο (Β) αντιπροσωπεύει το κατώφλι υδροφιλικότητας που αναφέρεται για τις επιφάνειες τιτανίου.

Εικόνα 4: (Α) Συσχέτιση μεταξύ βακτηριακής προσκόλλησης και τραχύτητας επιφάνειας ($Sa$) των δοκιμαζόμενων επιφανειών κολάρου εμφυτευμάτων. (Β) Συσχέτιση βακτηριακής προσκόλλησης και διαβρεξιμότητας των επιφανειών κολάρου, όπως μετρήθηκε με τη μέθοδο της στατικής σταγόνας (sessile drop) και WCA. Τα δεδομένα παρουσιάζονται ως μέσος όρος ± τυπικής απόκλισης. (C) Καμπύλη βέλτιστης προσαρμογής για το λογιστικό μοντέλο με χρήση της τραχύτητας επιφάνειας για την περιγραφή της βακτηριακής προσκόλλησης. Αυτό το μοντέλο ισoψήφισε για τη μεγαλύτερη τιμή R² = 0.91 και είχε τη χαμηλότερη τιμή AICc στο −286.6 .(D) Πίνακας που συνοψίζει τις προσαρμοσμένες παραμέτρους για την καμπύλη στο (C). Οι παράμετροι του μοντέλου Cl και Cu υποδηλώνουν τα επίπεδα του κάτω και του άνω οριζόντιου τμήματος (plateau) της προσκόλλησης αντιστοίχως (i, ii). Η παράμετρος dm υποδηλώνει σε ποια τιμή τραχύτητας συμβαίνει το σημείο καμπής (iii) και η παράμετρος R_c είναι ένα μέτρο του ρυθμού μετάβασης μεταξύ του κάτω και του άνω ασύμπτωτου. Μια μεγαλύτερη τιμή υποδηλώνει ταχύτερη μετάβαση μεταξύ των δύο ασύμπτωτων. Ο R_c μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των επιπέδων κατωφλίου 5% (Thr5%) και κορεσμού 5% (Sat5%). Αυτές οι τιμές υποδηλώνουν πότε η προσκόλληση είναι 5% της διαφοράς μεταξύ Cl και Cu πάνω ή κάτω από το κάτω και το άνω ασύμπτωτο αντιστοίχως. (Ε) Καμπύλη βέλτιστης προσαρμογής για το λογιστικό μοντέλο με χρήση της γωνίας επαφής για τον προσδιορισμό της βακτηριακής προσκόλλησης. Η προσαρμογή του μοντέλου έχει χαμηλό R² και σχετικώς υψηλές τιμές AICc 0.05 και -190.4 αντιστοίχως, συγκριτικά με τη λογιστική προσαρμογή των αποτελεσμάτων τραχύτητας επιφάνειας (C). Επιπλέον, η χάραξη της βακτηριακής προσκόλλησης έναντι της γωνίας επαφής δεν παράγει γράφημα που να υποδηλώνει απλό μοντέλο. Η μαύρη γραμμή υποδηλώνει την καμπύλη βέλτιστης προσαρμογής και η σκιασμένη περιοχή είναι το διάστημα εμπιστοσύνης 95% της καμπύλης. Συσχέτιση μεταξύ μέσης τραχύτητας επιφάνειας και προσκολλημένων βακτηρίων.