Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/9969
Title: Nanostructural analysis of the adhesive interface in dentistry
Other Titles: Nanostructural analysis of the adhesive interface in dentistry
Authors: Frassetto, Andrea
Supervisore/Tutore: Cadenaro, Milena
Cosupervisore: Breschi, Lorenzo
Issue Date: 25-Mar-2014
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The subject of this thesis is the stability of the adhesive interface in dentistry. Success in adhesive dentistry means long lasting restorations. However, there is substantial evidence that this ideal objective is not achieved. Current research in this field aims at increasing the resin-dentin bond durability. This doctoral research examines the fundamental processes responsible for the aging mechanisms involved in the degradation of resin-bonded interfaces, as well as some potential approaches to prevent and counteract this degradation. Resin-dentin bond degradation is a complex process that is not completely understood, involving the hydrolysis of both the resin and the collagen component of the hybrid layer. The hydrophilic and acidic characteristics of current dentin adhesives have made hybrid layers highly prone to water sorption, which causes polymer degradation and results in decreased resin-dentin bond strength over time. These unstable polymers inside the hybrid layer may result in an incomplete encapsulation of collagen fibers, which become vulnerable to mechanical and hydrolytical fatigue, as well as degradation by host-derived proteases with collagenolytic activity. These enzymes, such as matrix metalloproteinases (MMPs) and cysteine cathepsins, have a crucial role in the degradation of type I collagen, the organic component of the hybrid layer. The first part of this thesis aims to review the current knowledge regarding adhesion to the tooth substrate (Chapter 1), focusing on the fundamental processes that are responsible for the degradation of the adhesive interface (Chapter 2). Since the permeability of adhesives to water is particularly evident in simplified adhesive formulations, the research activity was focused on self-etch and universal adhesive systems’ behavior. Thus, the research study reported in Chapter 3 showed that the bond strength and nanoleakage expression of two-step and one-step self-etch tested bonding systems were affected by storage for 6 month and 1 year in artificial saliva. Although it is generally accepted that the permeability of adhesives to water is particularly evident in simplified adhesive formulations, the stability over time was not related to the number of steps of bonding systems, but to their chemical formulations. The performance of a new universal (or multi-mode) adhesive system through storage in artificial saliva was also investigated. The original results presented in Chapter 4 found that improved bonding effectiveness of the tested universal adhesive system on dentin was obtained when the adhesive was applied with the self-etch approach. Indeed, the etch-and-rinse approaches tested (both on wet and dry dentin) resulted in immediate bond strength comparable to the self-etch mode but expedited long-term aging resulted in reduced bond strength and increased nanoleakage expression, irrespective of dentin wetness. Moreover, the results of the zymographic analysis showed evident changes in dentinal MMP-2 and -9 enzyme activities after the application of the tested adhesives, revealing differences in the extent of enzyme activation. These findings exhibit that the activation of endogenous MMPs is not related to the adhesive system or the strategy employed. Thus, regardless of the approach and the material used in bonding procedures, a stable and durable bond is not achieved. Therefore, experimental strategies that aim to enhance the adhesive interface, particularly improving the durability of the resin-dentin bond strength by inhibiting intrinsic collagenolytic activity and increasing the resistance of dentin collagen matrix to enzymatic degradation are needed. The last part of the thesis is focused on both the strategies to inhibit the proteolytic and collagenolytic activity of the endogenous proteases and the methods to increase the mechanical strength of collagen network and its resistance to enzymatic degradation (Chapter 5). Chlorhexidine (CHX) has been used as a non-specific MMP inhibitor to prevent degradation of hybrid layers. However, CHX is water-soluble and may leach out of hybrid layers, compromising its long-term anti-MMP effectiveness. An entirely different approach is to treat the acid-etched dentin containing activated matrix-bound MMPs with cross-linking agents that inactivate the catalytic site of proteases. In particular, the ability of a cross-linker agent, 1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl) carbodiimide (EDC), to prevent collagen degradation was evaluated under occlusal cycle loading. Previous research successfully utilized EDC to increase the durability of resin-dentin bonds by increasing the mechanical properties of the collagen matrix; however, the 1 to 4 hrs required for that procedure was clinically unacceptable. For this reason, the purpose of the last part of the research, presented in Chapter 6, was to evaluate the ability of 0.5 M EDC short-time (1 min) pre-treatment to improve the stability of demineralized dentin collagen matrices by quantifying the release of telopeptide fragments over time. The results showed that EDC application for 1 min may be a clinically relevant and effective means for stabilizing the collagen network not only by strengthening the fibrils, but also by reducing the enzymatic degradation rate. Thus, dentin collagen reinforcement and strengthening through EDC cross-linking might be of importance to improve the bond strength and structural integrity of the resin-dentin interface over time against the enzymatic and hydrolytic degradation.
La tesi qui presentata riguarda la stabilità dell'interfaccia adesiva in odontoiatria. Il successo delle moderne terapie conservative è rappresentato dalla longevità dei restauri adesivi. Tuttavia, vi è una sostanziale evidenza che questo obiettivo ideale non sia raggiunto. La stabilità dell’interfaccia adesiva dipende dalla formazione di uno strato ibrido, compatto e omogeneo, durante l’impregnazione del substrato dentinale da parte dei monomeri adesivi. Poiché lo strato ibrido rappresenta un’entità complessa, in cui interagiscono componenti biologiche diverse (matrice dentinale collagenica e cristalli d’idrossiapatite residui) e non (monomeri resinosi e solventi), i fenomeni d’invecchiamento interessano in maniera sinergica sia la porzione resinosa che quella dentale. L’articolato processo che porta alla degradazione dell’interfaccia adesiva coinvolge infatti la componente resinosa, attraverso l’idrolisi della resina negli spazi interfibrillari, e quella organica, attraverso la disorganizzazione delle fibre collagene dovuta ad un incompleto incapsulamento delle stesse, nonché alla degradazione da parte di proteasi intrinseche con attività collagenolitica. È stato dimostrato come questi enzimi, le metalloproteinasi della matrice (MMP) e le catepsine, abbiano un ruolo cruciale nella degradazione del collagene di tipo I, la principale componente organica dello strato ibrido. Inoltre le caratteristiche idrofile e acide degli attuali sistemi adesivi dentinali hanno reso lo strato ibrido molto suscettibile all'assorbimento di acqua, comportando, attraverso l’idrolisi, la degradazione dello stesso e andando così a contribuire ad una diminuzione della forza di legame nel tempo. Attualmente l’interesse della comunità scientifica mira ad aumentare la durata del legame adesivo con il substrato dentinale. Dopo un’attenta analisi delle attuali conoscenze riguardanti adesione al substrato dentale (Capitolo 1), la prima parte della tesi si propone di valutare i processi fondamentali che sono responsabili della degradazione dell'interfaccia adesiva (Capitolo 2). Poiché la permeabilità all’acqua degli adesivi è particolarmente evidente nelle formulazioni semplificate, l'attività di ricerca si è concentrata sull’analisi del comportamento dei sistemi adesivi self-etch e dei recenti sistemi adesivi universali. I risultati riportati nel Capitolo 3 ha dimostrato come la forza di legame e l’espressione del nanoleakage dei sistemi adesivi self-etch two-step e one-step testati sia negativamente influenzata dall’invecchiamento in saliva artificiale per 6 mesi e 1 anno. Sebbene sia generalmente accettato che la permeabilità degli adesivi all'acqua è particolarmente evidente in formulazioni di adesivi semplificati, la stabilità nel tempo non è stata correlata al numero di passaggi dei sistemi adesivi, bensì alle loro composizioni chimiche. Sono state in seguito analizzate anche le prestazioni di un nuovo sistema adesivo universale (o multimodale). I risultati presentati nel Capitolo 4 hanno stabilito una migliore efficienza adesiva del sistema universale, testato sul substrato dentinale, quando l'adesivo è stato applicato con l'approccio self-etch. Infatti, la tecnica etch-and-rinse, testata sia su dentina umida che secca, ha comportato una forza di adesione immediata paragonabile alla modalità self-etch, ma a tempi di invecchiamento incrementali si è evidenziata una diminuzione della forza di legame e una maggiore espressione del nanoleakage, a prescindere dalla condizione di umidità dentinale. Inoltre, i risultati dell'analisi zimografica hanno mostrato evidenti variazioni dell’attività enzimatica delle metalloproteinasi MMP-2 e -9 dopo l'applicazione degli adesivi testati. Questi risultati dimostrano come l'attivazione delle MMP endogene non sia correlata al sistema adesivo o alla strategia adottata. Ne evince che, indipendentemente dal metodo e dal materiale utilizzato nelle procedure adesive, non si è in grado di stabilire un legame affidabile e duraturo. Pertanto si avverte l’esigenza di strategie sperimentali che mirino a migliorare la stabilità dell’interfaccia adesiva, in particolare incrementando la durata della forza di legame in dentina inibendo l'attività collagenolitica intrinseca e aumentando la resistenza del collagene alla degradazione enzimatica. L'ultima parte della tesi è focalizzata quindi sulle strategie per inibire l'attività proteolitica e collagenolitica delle proteasi endogene e sui metodi per aumentare la resistenza meccanica del collagene alla degradazione enzimatica (Capitolo 5). Un potente agente antibatterico, la clorexidina (CHX), è stato usato come inibitore non specifico delle MMP al fine di impedire la degradazione dello strato ibrido. Tuttavia la CHX, essendo solubile in acqua, può dissolversi nello strato ibrido, compromettendo la sua efficacia anti-MMP a lungo termine. Un approccio completamente diverso è quello di trattare la dentina mordenzata con agenti cross-linker. In particolare, simulando il carico occlusale, è stata valutata la capacità di un agente cross-linker, l’1-etil-3-(3-dimetilammino-propil) carbodiimmide (EDC), per prevenire la degradazione del collagene. Precedenti ricerche hanno utilizzato con successo l’EDC con lo scopo di aumentare la durata dell’interfaccia adesiva, aumentando le proprietà meccaniche della matrice di collagene; tuttavia, il tempo necessario (da 1 a 4 ore) richiesto per tali procedure è clinicamente inaccettabile. Per questo motivo, lo scopo dell’ultima parte della ricerca, presentata nel Capitolo 6, è stato quello di valutare la capacità di 0,5 M EDC nel breve periodo di pretrattamento (1 min), andando a quantificare il rilascio di frammenti di telopeptidi di collagene nel corso del tempo. I risultati hanno dimostrato che l'applicazione di EDC per 1 min può essere un approccio clinicamente rilevante ed efficace nello stabilizzare il collagene, non solo rafforzando le fibrille, ma anche riducendo la velocità di degradazione enzimatica. Di conseguenza, l’utilizzo di questo cross-linker può garantire una valida strategia per migliorare la forza di legame e l'integrità strutturale dell'interfaccia adesiva nel tempo contro l’attività enzimatica intrinseca del collagene e la degradazione idrolitica.
Ciclo di dottorato: XXVI Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 2012/2013
Keywords: Adhesive dentistry
Dentin bonding
Hybrid layer degradation
Matrix metalloproteinase
Cysteine cathepsin
Collagen cross-linkers
EDC
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: MED/28 MALATTIE ODONTOSTOMATOLOGICHE
NBN: urn:nbn:it:units-12253
Appears in Collections:Scienze mediche

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