Bonding an Dentin – Ein experimenteller Vergleich zur Verbesserung und Konservierung der Verbundfestigkeit mithilfe natürlicher Inhaltsstoffe

Schröter, Franz-Josef (2025): Bonding an Dentin – Ein experimenteller Vergleich zur Verbesserung und Konservierung der Verbundfestigkeit mithilfe natürlicher Inhaltsstoffe. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

In Summe beinhaltet die vorliegende Dissertationsschrift zwei wissenschaftliche Publikationen, deren Ergebnisse aus Forschungsarbeit im mechanischen sowie biologischen Labor stammen. Grundlage der Forschung war die Entwicklung von vier experimentellen, zahnärztlichen SE Adhäsiven und die Untersuchung der Parameter Verbundfestigkeit im Scher- und Pushout-Test, Frakturmuster, Verbundmorphologie und Zytotoxizität ebendieser Werkstoffe im Vergleich zu einem etablierten Goldstandard in CSE. Bestandteil der ersten Publikation mit dem Titel „Enhancing dentin bonding through new adhesives formulations with natural polyphenols, tricalcium phosphate and chitosan“ war die konkrete Synthese der vier experimentellen Materialien inklusive Prüfung der erfolgreichen Integration der natürlichen Polyphenole mittels HPLC-Analyse sowie die Beleuchtung von Verbundfestigkeit mittels Scher-Test nach 24 h und sechs Monaten Alterung (n = 20; ∑ = 200), fraktographische Analyse mittels Lichtmikroskopie, Beurteilung der Verbundmorphologie mittels Elektronenmikroskopie und Testung der Zytotoxizität der Adhäsive mithilfe des WST-1 Assays nach 24 h, 48 h, 72 h, einem, drei und sechs Monaten. Für enthaltene Tabellen, siehe Anhang A. Die Arbeit dient dem Zweck der Herstellung eines zahnärztlichen SE Adhäsivs, welches natürliche Zusätze wie GTE (inkl. EGCG, ECG et cetera), TCP und Chitosan bereits im Vornherein beinhaltet, um zusätzliche Schritte des Auftragens oder Anmischens der Komponenten während des Bonding-Protokolls zu vermeiden und gleichzeitig damit die Dauer und Anzahl der Schritte zur Anwendung ebendieser zu reduzieren. Gleichzeitig sind natürliche Zusätze, wie eben EGCG, Bestandteil aktueller Forschung, da gezeigt wurde, dass diese das Potential besitzen die Verbundfestigkeit zahnärztlicher Adhäsive nachhaltig zu verbessern [45]. Inhalt der zweiten Publikation mit dem Titel „Pushout Bond Strength in Coronal Dentin: A Standardization Approach in Comparison to Shear Bond Strength“ war der Methodenvergleich zwischen einem der allgemeinhin verbreiteten Standardtests zur Beurteilung der Verbundfestigkeit dentaler Adhäsive, i.e. dem Scher-Test, und dem sogenannten Pushout-Test, welcher bisher nicht als universelle Testmethode im Bereich der Forschung dentaler Adhäsivtechnik etabliert ist [48]. Besonderheit hierbei war, dass aufgrund mangelnder Anwendung des Pushout-Tests in der Adhäsivtechnik keine standardisierte Norm (wie etwa ISO 29022 des Scher-Tests) existierte und in diesem Rahmen ein standardisiertes Protokoll zur Prüfkörperherstellung entworfen wurde. Zum Vergleich der Tests wurden die Verbundfestigkeiten nach 24 h Alterung besagter experimenteller Adhäsive sowie CSE aus dem Scher-Test mit den Werten des Pushout-Tests verglichen (n = 20; ∑ = 200). Die gebrochenen Prüfkörper wurden ebenfalls lichtmikroskopisch untersucht, um deren Frakturverhalten genauer evaluieren zu können. Für enthaltene Tabellen und Abbildungen, siehe Anhang B. Die Ergebnisse beider Studien werden im Anschluss zusammenfassend dargestellt und die darauf basierenden Schlussfolgerungen gezogen. Paper I Ergebnisse Nach Synthese der vier experimentellen Adhäsive wurde zunächst mittels HPLC-Analyse der Nachweis der erfolgreichen Integration der Catechine in die hergestellten Materialien Exp. 1.1 (15,1 ± 0,2 μg/g) und Exp. 2.1 (15,5 ± 0,2 μg/g) geliefert (Tabelle 2). Nach 24-stündiger Alterung in artifiziellem Speichel und bei 37°C zeigten beide GTE-enthaltenden Adhäsive eine signifikant höhere Verbundfestigkeit im Vergleich zu ihrer ungefüllten Referenz (p < 0,05). Gleichzeitig war kein Unterschied zum Goldstandard nachweisbar (Exp. 1.1: p = 0,501; Exp. 2.1: p = 0,270). Während sich das Vorhandensein von TCP und Chitosan nicht signifikant auf die Verbundfestigkeit auswirkte (Exp. 1.1|Exp. 2.1: p = 0,999; Exp. 1.2|Exp. 2.2: p = 0,237), zeigte es eine Veränderung des Weibull Moduls: hierbei lagen die Werte von Exp. 2.1 (m = 4,0) und Exp. 2.2 (m = 4,3) deutlich über den übrigen Werten von CSE (m = 2,9), Exp. 1.1 (m = 2,1) und Exp. 1.2 (m = 1,9). Der Parameter Alterung hatte lediglich bei Exp. 2.1 einen signifikanten Einfluss auf die Verbundfestigkeit hin zu niedrigeren Haftwerten (p < 0,05), während alle anderen Gruppen davon unbeeinflusst blieben. Vergleicht man die gealterten Gruppen, so hat die Integration von GTE in die TCP und Chitosan enthaltenden Gruppen keine Auswirkung auf die Verbundfestigkeit (p = 0,816), während es ohne TCP und Chitosan eine signifikante Steigerung der Haftwerte (p < 0,05) zur Folge hat. Der Vergleich zwischen den gealterten Gruppen zeigte erneut, dass die Integration von TCP und Chitosan allein keinen statistisch signifikanten Einfluss auf die gemessenen Haftwerte hat (Exp. 1.1|Exp. 2.1: p = 0,280; Exp. 1.2|Exp. 2.2: p = 0,844). Zur Übersicht der ermittelten Werte, siehe Tabelle 3. Interessanterweise führte die Alterung beim Goldstandard CSE zu einer – wenn auch nicht statistisch signifikanten – Steigerung der Verbundfestigkeiten, sodass sich CSE in dieser Hinsicht von den experimentellen Gruppen unterschied. Jedoch ließ sich das durch die Frakturmuster von CSE erklären, da dieser Werkstoff nach sechs Monaten Alterung zu 85% in Teilen außerhalb der Adhäsivschicht brach und eine konkrete Ermittlung der Haftwerte damit eigentlich nicht möglich war (vgl. Tabelle 5). Berücksichtigt man hierbei alle Messungen, die ausschließlich innerhalb der Adhäsivschicht gebrochen sind (n = 3), so führt dies zu einer Rückverschiebung hin zu statistisch gleichen Werten zwischen CSE und Exp. 1.1 (p = 0,851), Exp. 2.1 (p = 0,279) sowie Exp. 2.2 (p = 0,088) (siehe Tabelle 4). Was die Weibull Moduli nach Alterung anbelangt, so lassen sich zwei größere Unterschiede zur Ausgangssituation erkennen: zum einen zeigten lediglich CSE (m = 3,3) und Exp. 1.1 (m = 3,1) höhere Werte im Vergleich zu ihrer Messung nach 24 h (CSE: m = 2,9; Exp. 1.1: m = 2,1) und zweitens führte die Alterung zu einer deutlichen Verringerung der Weibull Moduli in den einst gut performenden Gruppen Exp. 2.1 (m = 4,0 → 2,7) und Exp. 2.2 (m = 4,3 → 1,5) (siehe Tabelle 3). Der im Rahmen der MANOVA ermittelte Einfluss der Effektgrößen zeigte mit ηp2 = 0,189 für GTE (p < 0,05) und ηp2 = 0,037 für die Kombination aus GTE, TCP und Chitosan (p < 0,05) einen signifikanten Einfluss, nicht aber für die Alterung (p = 0,139). Betrachtet man die Bruchflächen der Prüfkörper, so fallen zwei Punkte deutlich ins Auge. Erstens, obwohl ein Bruch innerhalb der Adhäsivschicht mit einer Häufigkeit von insgesamt 81,5% über beide Alterungszeiträume der häufigste Bruchmodus war, brachen bei CSE nach 24 h lediglich 50% und nach sechs Monaten sogar nur 15% adhäsiv. Exkludiert man die „fehlerhaften“ Bruchmuster (kohäsiv und gemischt) von der statistischen Auswertung, führt dies zu einer Reduktion der gemessenen Haftwerte (24 h: 15,9 → 11,7; 6 m: 19,4 → 15,0 MPa) von CSE. Zweitens, während die Adhäsivreste nach 24 h zu 55% überwiegend am Dentin adhärierten, sank diese Zahl nach der 6-monatigen Alterung auf lediglich 19%, wobei davon 15/19 Messungen auf das Konto von CSE gehen (vgl. Tabelle 6). Im Rahmen der elektronenmikroskopischen Darstellung der Verbundmorphologie wurde offensichtlich, dass die Ausbildung sogenannter „Resin-Tags“ deutlicher beim kommerziellen Goldstandard, als bei den experimentellen Gruppen von Statten ging. Zu guter Letzt wurde die Zytotoxizität der einzelnen Adhäsive geprüft, um deren toxisches Potential auf HGF zu quantifizieren. Hierbei wurde darauf geachtet, dasselbe Bonding-Protokoll wie bei der klinischen Anwendung der jeweiligen Adhäsive einzuhalten, um ein möglichst detailgetreues Bild über das toxische Potential der Adhäsive zu erhalten. Während die experimentellen Gruppen bei der ersten Eluatentnahme nach 24 h einen toxischen Effekt auf die HGF zeigten (Viabilität < 50%), war dies für CSE nicht der Fall (Viabilität 81%). Danach sanken die Viabilitätswerte aller Gruppen kein einziges Mal mehr unter 100%, was zeigte, dass selbst nach sechs Monaten Alterung keinerlei Bestandteile aus den Werkstoffen eluieren, die einen toxischen Effekt auf die verwendeten Zellen haben könnten (siehe Tabelle 7) [91]. Schlussfolgerungen Die Ergebnisse der vorliegenden Publikation bestätigen, dass eine Verbesserung der Verbundfestigkeit mittels GTE erreichbar ist. Die Besonderheit liegt darin, dass dies auch erreicht wird, wenn das GTE bereits während der Herstellung des Adhäsivs darin integriert wird, was einen zusätzlichen Schritt des Auftragens in wässriger Lösung oder Vermischen mit bestehenden Systemen überflüssig macht. Während kleinere Anpassungen der vorliegenden Materialien notwendig sind, befürwortet diese Studie die künftige Integration von natürlichen Polyphenolen in moderne Adhäsivsysteme bereits bei der Herstellung, um die Verbundfestigkeit von Adhäsiven zu erhöhen und damit die Frequenz des Füllungswechsels am Patienten potenziell zu verringern [91]. Paper II Ergebnisse Um einen möglichst detailgetreuen Vergleich zwischen beiden Tests anzustellen, galt es die Unterschiede zwischen beiden Tests so gering wie möglich zu halten. Daher wurde bei dem Entwurf der Prüfkörpermorphologie des Pushout-Tests darauf geachtet, die Oberfläche des Haftverbundes in ihrer Ausdehnung möglichst exakt an die Morphologie der Scher-Test Prüfkörper anzupassen. Dies erforderte eine Dicke der vertikal geschnittenen Zahnscheiben von im Durchschnitt 1,03 (± 0,05) mm sowie einen Durchmesser der Kavitätenbohrung von 1,42 (± 0,03) mm im Mittel. Das Resultat war eine Verbundoberfläche von 4,63 (± 0,26) mm2 für die Prüfkörper des Pushout-Tests, während die Verbundoberfläche der Scher-Test Prüfkörper, bedingt durch die ISO-Norm 29022 [53], bei 4,57 (± 0,13) mm2 im Mittel lag. Die zur Berechnung des c-Faktors notwendige ungebundene Oberfläche der Kompositaufbauten lag bei den Prüfkörpern des Pushout-Tests bei 3,18 (± 0,14) mm2 und bei denen des Scher-Tests bei 23,51 (± 1,55) mm2, was in einem durchschnittlichen c-Faktor der Restaurationen von 1,5 (± 0,08; Pushout) und 0,20 (± 0,01; Scher) resultierte. Während der Scher-Test in der Lage war signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen im Dunnett’s post-hoc Test zu verdeutlichen (p < 0,05), gelang dies im Pushout-Test nicht (p = 0,367). Dort unterschieden sich die Verbundfestigkeiten der einzelnen Gruppen nicht. Im Vergleich beider Tests mittels Student’s t-Test waren signifikante Unterschiede der Verbundfestigkeiten zwischen den experimentellen Adhäsiven deutlich (p < 0,05), jedoch nicht beim kommerziellen Goldstandard (p = 0,724) (vgl. Tabelle 8 und Abbildung 2). Was das Weibull Modul anbelangt, war ein genereller Trend hin zu höheren Werten im Pushout-Test feststellbar, lediglich Exp. 2.2 erzielte im Scher-Test höhere Werte (vgl. Tabelle 8 und Abbildung 3). Hinsichtlich der mangelnden Differenzierung der einzelnen Gruppen im Pushout-Test, wurde eine Überprüfung des Tests mittels fehlerhafter Bonding Applikation angeschlossen. Dies diente dem Zweck herauszufinden, ob ein fehlerhaftes Auftragen des Adhäsivs zu einem Verlust der Haftkraft führt, um daraus wiederum Rückschlüsse ziehen zu können, ob der Pushout-Test tatsächlich die Haftkraft des Adhäsivs misst, oder lediglich Friktion durch Verkanten des spröden Materials beim Herauspressen des Füllungswerkstoffes. Hierfür wurde das experimentelle Adhäsiv Exp. 1.2 herangezogen, welches ohne das vorherige Auftragen des Primers verwendet wurde. Dies führte im Scher-Test zu einem Einbrechen der Haftkraft von 7,0 (± 4,1) MPa hin zu 2,1 (± 1,2) MPa, die gemessene Kraft im Pushout-Test blieb mit 14,9 (± 2,3) MPa (anstelle von 14,2 ± 4,3 MPa) davon nahezu unbeeinflusst (vgl. Tabelle 9). Dies legte die Vermutung nahe, dass hierbei nicht die Verbundfestigkeit der Adhäsive gemessen wurde, sondern es sich bei dem gemessenen Wert eher um Friktion zwischen Kavitätenwand und Füllungswerkstoff handelte, was einen Kritikpunkt an diesem Versuchsaufbau darstellt [48]. Ein weiteres Problem, was sich während der Messungen herauskristallisierte war das zahlreiche Vorkommen von Frakturen der Prüfkörper. Dabei handelte es sich nicht um die gewollte Fraktur an der Grenzfläche zwischen Zahnbein und Füllungswerkstoff, bzw. innerhalb der Adhäsivschicht, sondern mehr um eine vollkommene Fraktur des Prüfkörpers außerhalb dieser Schichten. Hierbei kam es nicht selten vor, dass ein Prüfkörper in drei oder mehr Teile zersprungen ist. Brach ein Prüfkörper außerhalb der Grenzflächen, so wurde die Messung als invalide klassifiziert und der Prüfkörper damit von der statistischen Auswertung ausgeschlossen. Um dennoch die für die Weibull Analyse notwendigen 20 Messungen pro Werkstoff bewerkstelligen zu können, wurden insgesamt 142 Prüfkörper produziert (siehe Tabelle 10). Unter Berücksichtigung aller 142 Messungen, ergab die MANOVA lediglich für die Effektgröße Stempelposition (p < 0,05) mit ηp2 = 0,057 einen signifikanten Einfluss, nicht aber für die Effektgrößen Adhäsiv (p = 0,263) und invalide Messung (p = 0,655). Abschließend wurde noch die Position des Stempels lichtmikroskopisch beurteilt. Dabei zeigten sich 76% der validen Messungen (n = 100) mit einer zentralen Position des Stempels, während die verbleibenden 24% der Messungen eine marginale, i.e. < 50 μm Abstand zum Kavitätenrand, aufwiesen (siehe Abbildung 4 und 5). Eine durchgeführte ANOVA, welche nur die optimal zentral positionierten Stempel berücksichtigte, zeigte ebenfalls keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Adhäsiven (p = 0,399) [98] Schlussfolgerungen Während die verwendeten Werkstoffe mit Ausnahme von Exp. 2.2 ein durchwegs höheres Weibull Modul im Pushout-Test aufwiesen, kann geschlussfolgert werden, dass die Messungen dieses Tests weniger anfällig für Einflüsse bedingt durch Fehler innerhalb des Materials, wie etwa Poren oder Luftblasen, sind. Dennoch ist der Pushout-Test in dieser Konfiguration nicht geeignet, um zwischen verschiedenen Werkstoffen zu differenzieren, wie es der Scher-Test in der Lage ist. Demnach sind weitere Anpassungen notwendig, wie bspw. das Präparieren konischer Kavitätenwände oder Einbetten fertiger Prüfkörper, um den Pushout-Test als geeignete Alternative zum Scher-Test zu etablieren [98].

Abstract

Abstract

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. Mai 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Ilie, Nicoleta