Las nanopartículas de óxido de zinc mejoran las características fisicoquímicas del sellador de Grossman

Resumen

Introducción: Se ha demostrado que las nanopartículas antibacterianas metálicas proporcionan una ventaja antibacteriana distinta y eficacia antibiofilm cuando se aplican en conductos radiculares infectados. El propósito de este estudio fue evaluar la influencia de la incorporación de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO-Np) en las propiedades fisicoquímicas del sellador de Grossman.

Métodos: El sellador de Grossman se preparó de acuerdo con su fórmula original. Además, se prepararon 4 selladores experimentales reemplazando el componente de óxido de zinc del polvo con ZnO-Np (tamaño promedio de 20 nm) en diferentes cantidades (25%, 50%, 75% y 100%). Se realizó la caracterización del tiempo de fraguado, flujo, solubilidad, cambios dimensionales y radiopacidad de acuerdo con la Especificación 57 del Instituto Nacional de Estándares Americanos (ANSI)/Asociación Dental Americana (ADA). Se llevaron a cabo análisis de microscopía electrónica de barrido y espectroscopia de rayos X por dispersión de energía para evaluar las características ultrastructurales y químicas de los selladores experimentales sometidos a la prueba de solubilidad. Se realizaron análisis estadísticos con análisis de varianza y pruebas post hoc de Tukey-Kramer con un nivel de significancia del 5%.

Resultados: Se observó una diferencia estadísticamente significativa en el tiempo de fraguado entre los grupos (P < .05), pero solo el sellador de ZnO-Np al 25% cumplió con los requisitos de ANSI/ADA. Hubo una diferencia significativa en las características de flujo entre el control y los selladores experimentales de ZnO-Np al 25% y 75% (P < .05), pero todos los selladores se ajustaron a la estandarización de ANSI/ADA; el sellador de ZnO-Np al 25% mostró significativamente menos solubilidad (1.81% 0.31%) y cambio dimensional (—0.34% 0.12%) que otros selladores (P < .05). Todos los selladores mostraron cambios ultrastructurales con el aumento de la solubilidad.

Conclusiones: El ZnO-Np disminuyó el tiempo de fraguado y los cambios dimensionales característicos del sellador de Grossman; el ZnO-Np al 25% mejoró las propiedades fisicoquímicas del sellador de Grossman de acuerdo con los requisitos de ANSI/ADA. (J Endod 2016;■:1–7)

El sellador de conductos radiculares realiza varias funciones durante la obturación del conducto radicular, incluyendo el llenado de los espacios entre el material de relleno central y la pared del conducto, así como el llenado de irregularidades del conducto radicular como ramificaciones apicales y deltas. Durante las últimas 8 décadas, la gutapercha y los selladores a base de óxido de zinc (ZnO)-eugenol han sido el material de relleno más utilizado en endodoncia. El sellador que contiene ZnO fue introducido por Rickert y Dixon y luego mejorado por Grossman; sin embargo, en ambas formulaciones, el plata precipitada utilizada para la radiopacidad producía sulfuros, que causaban decoloración dental. Así, se eliminó la plata de la composición, mientras que el cloruro de zinc fue sustituido por aceite de almendra para evitar la decoloración dental y al mismo tiempo aumentar el tiempo de fraguado. Más tarde, se añadió tetraborato de sodio anhidro al polvo, y se eliminó el aceite de almendra del eugenol porque la adición del primero mejoró el tiempo de trabajo del sellador. Estudios previos han examinado el papel de diferentes constituyentes en las características físicas del sellador de Grossman; sin embargo, a pesar de la popularidad de los selladores que contienen ZnO, se han realizado muy pocas mejoras en su composición hasta hace unos años.

Las nanopartículas (Np) son partículas ultrafinas de constituyentes insolubles con un diámetro inferior a 100 nm. En la última década, han abierto nuevas posibilidades y un interés significativo en el cuidado de la salud, principalmente debido a sus características químicas, biológicas y antibacterianas de amplio espectro. Recientemente, se añadieron nanopartículas de ZnO (ZnO-Np) y/o quitosano a la composición original de los selladores que contienen ZnO. Esta modificación inhibió la formación de biofilm en la interfaz sellador-dentina, redujo la citotoxicidad y mejoró la capacidad de sellado y las propiedades antibacterianas del sellador a base de ZnO. Aunque la actividad antibacteriana, la capacidad de sellado y la citotoxicidad pueden ser deseables, los selladores de conductos radiculares deben poseer varias características físicas para un funcionamiento óptimo como sellador de conductos radiculares. Así, el objetivo de este in vitro estudio fue evaluar el efecto de incorporar diferentes grados de ZnO Np en el tiempo de fraguado, flujo, solubilidad, cambios dimensionales y propiedades de radiopacidad del sellador Grossman. También se analizaron las características ultrastructurales y químicas de los selladores experimentales durante la solubilidad. Este estudio ayudará a determinar los niveles óptimos de ZnO-Np requeridos para el funcionamiento ideal del sellador Grossman mejorado.

Materiales y Métodos

La composición del sellador de ZnO utilizado como control en este estudio siguió las instrucciones originales para preparar el sellador de Grossman, que contiene ZnO (42%), resina hidrogenada (27%), subcarbonato de bismuto (15%), tetraborato de sodio anhidro (1%) como polvo, y eugenol como líquido. Además, se prepararon 4 selladores experimentales para conductos radiculares reemplazando el componente de ZnO del polvo con ZnO-Np (Materiales Nanostructurados y Amorfos, Inc, Houston, TX) en diferentes porcentajes (25%, 50%, 75% y 100%) (Tabla 1). Todo el ZnO-Np utilizado en este estudio fue de grado analítico (99.5% de pureza, partículas esféricas con un tamaño promedio de 20 nm, área de superficie específica ≥40 m²/g, densidad a granel de 0.1–0.2 g/cm³, valor de pH de 6.5–7.5).

La relación polvo/líquido y el tiempo de espatulación para los selladores se establecieron de acuerdo con Sousa Neto et al. La consistencia adecuada, suave y cremosa, se estandarizó cuando la mezcla suspendida se adhirió a la hoja de la espátula invertida durante 10–15 segundos antes de caer de la espátula. Por lo tanto, para un tiempo medio de espatulación de 120 segundos, se utilizó un promedio de 1.1 g de polvo por 0.20 mL de eugenol. Un solo operador caracterizó las propiedades fisicoquímicas, mientras que otro examinador que estaba cegado a los materiales experimentales realizó el análisis de los resultados. Todas las pruebas se realizaron a 23° ± 2°C y 50% ± 5% de humedad relativa dentro de un gabinete que contenía un calentador (800-Heater; PlasLabs, Lasing, MI), y los materiales fueron expuestos a las condiciones experimentales 48 horas antes del inicio de los procedimientos. Se registró el promedio de 5 réplicas para cada sellador para determinar el tiempo de fraguado, flujo, cambio dimensional y radiopacidad.

Tiempo de fraguado

El borde externo de un anillo de yeso (diámetro interno = 10 mm, altura = 2 mm) se aseguró con cera en una placa de vidrio, se llenó con el sellador y se transfirió a una cámara (37°C, 95% de humedad relativa). El tiempo de fraguado se registró después de 150 ± 10 segundos desde el inicio de la mezcla con una aguja tipo Gilmore (masa de 100 ± 0.5 g) que tenía un extremo plano (diámetro de sección transversal de 2.0 ± 0.1 mm), que se bajó cuidadosamente de forma vertical sobre la superficie horizontal del sellador. La punta de la aguja se limpió y se repitió la sondeo hasta que las impresiones dejaron de ser discernibles. Si los resultados diferían en más del 5%, se repitió la prueba.

Flujo

Un total de 0.5 mL del sellador se colocó en una placa de vidrio (10 × 10 × 3 mm) utilizando una jeringa desechable graduada de 3 mL. A los 180 ± 5 segundos después del inicio de la mezcla, se aplicó otra placa (masa de 20 ± 2 g) y una carga de 100 N se aplicó centralmente sobre el material. Diez minutos después del inicio de la mezcla, se retiró la carga y se calculó el promedio de los diámetros mayor y menor de los discos comprimidos utilizando un calibrador digital con una resolución de 0.01 mm (Mitutoyo MTI Corporation, Tokio, Japón). Si los diámetros mayor y menor de los discos eran uniformemente circulares y ambas mediciones eran consistentes dentro de 1 mm, se registraron los resultados.

Solubilidad

Veinte moldes cilíndricos de Teflón (politetrafluoroetileno; DuPont, Knivsta, Suecia) de 1.5 mm de grosor (diámetro interno = 7.75 mm) soportados por una placa de vidrio fueron llenados con sellador recién mezclado. Después de incrustar parcialmente un hilo de nylon impermeable (3 cm de longitud) en el sellador, se posicionó otra placa de vidrio sobre el molde, y los ensamblajes se transfirieron a una cámara (37°C, 95% de humedad relativa) por un período correspondiente a 3 veces el tiempo de fraguado del sellador. Después de este período, se retiraron 10 muestras de cada grupo del molde, se pesaron, se colocaron en pares y se suspendieron por el hilo de nylon dentro de un recipiente de plástico que contenía 7.5 mL de agua ultrapura desionizada (MilliQ; Millipore, Billerica, MA) durante 7 días (37°C, 95% de humedad relativa). Luego, las muestras se retiraron de los recipientes, se enjuagaron con agua desionizada, se secaron con papel absorbente y se colocaron en un deshumidificador durante 24 horas antes de pesarlas nuevamente. La pérdida de peso de cada muestra, expresada como un porcentaje de la masa original (m% = m_i — m_f), se tomó como la solubilidad del material de prueba.

Análisis por Microscopia Electrónica de Barrido/Espectroscopia de Rayos X por Dispersión de Energía

Se realizaron análisis por microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDX) en 10 muestras sometidas a la prueba de solubilidad, y se analizaron 10 muestras preparadas durante este paso experimental, pero no expuestas a agua desionizada. Cada muestra fue seccionada en mitades, fijada en un soporte metálico y recubierta por pulverización con paladio de oro (Bal-Tec AG, Balzers, Alemania) a 20 mA. Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (Zeiss LEO 440; LEO Electron Microscopy LTD, Cambridge, Reino Unido) equipado con un sistema EDX (Isis System Series 200; Link Analytical, Lidingö, Suecia) para la obtención de imágenes y para determinar la composición elemental en las superficies exterior e interior de los selladores en 5 regiones de interés aleatorias (área analítica = 0.01 mm²). Los resultados se registraron en función de su promedio.

Cambio Dimensional

Se colocó un molde cilíndrico de Teflón (politetrafluoroetileno, Du-Pont) de 3.58 mm de altura y 3 mm de diámetro sobre una placa de vidrio y se llenó con un sellador recién mezclado. Luego, se presionó un cubreobjetos de vidrio sobre la superficie superior del molde, y la unidad ensamblada se mantuvo firmemente sujeta con una abrazadera en forma de C durante un período correspondiente a 3 veces el tiempo de fraguado del sellador (37°C, 95% de humedad relativa). Posteriormente, los extremos planos del molde se lijaron con papel de lija húmedo de grano 600, se retiró la muestra del molde, se midió con un calibrador digital y se almacenó individualmente en un recipiente de 50 mL que contenía 2.24 mL de agua destilada desionizada durante 30 días (37°C, 95% de humedad relativa). Cada muestra se retiró posteriormente del recipiente, se secó con papel absorbente y se midió nuevamente para determinar su longitud. El porcentaje de las alteraciones dimensionales se calculó utilizando la siguiente fórmula: ([L₃₀ — L_i]/L_i)*100, donde L_i y L₃₀ son la longitud de la muestra antes y después de 30 días de almacenamiento, respectivamente.

Radiopacidad

Se colocó una placa de acrílico que contiene 4 pocillos (1 mm de profundidad y 5 mm de diámetro) sobre una placa de vidrio, y se introdujeron cuidadosamente selladores recién mezclados en los pocillos utilizando una jeringa. Luego, se colocó otra placa de vidrio encima del pocillo por un período correspondiente a 3 veces el tiempo de fraguado (37°C, 95% de humedad relativa). La placa de acrílico se posicionó más tarde junto con una cuña de escalón de aluminio (Margraf Dental MFG Inc, Jenkintown, PA), y se adquirió una radiografía digital (Sistema Digora; Soredex Orion Corporation, Helsinki, Finlandia) a 70 kVp y 8 mA (distancia objeto-enfoque = 30 cm; tiempo de exposición = 0.2 segundos). La placa de imagen expuesta de la muestra fue escaneada (Escáner Digora) y analizada para radiopacidad. Se determinó el promedio de los niveles de gris en una región de interés estandarizada para cada sellador, descrito por la función ‘‘media de densidad,’’ utilizando el software Digora v.5.1 para Windows (Sistema Digora).

Análisis Estadístico

Debido a que los resultados mostraron una distribución normal (prueba de Shapiro-Wilk) y homocedasticidad (prueba de Levene), se utilizaron análisis de varianza de un solo factor y pruebas post hoc de Tukey-Kramer para la comparación entre grupos, con un nivel de significancia establecido en 5% (SPSS 17.0 para Windows; SPSS Inc, Chicago, IL).

Resultados

Los resultados de las pruebas fisicoquímicas del sellador de Grossman y los selladores experimentales a base de ZnO-Np se resumen en Tabla 2.

Tiempo de Fraguado

Se observó una diferencia estadísticamente significativa en el tiempo de fraguado entre los grupos (P < .05). El tiempo de fraguado del sellador de 25% de ZnO-Np (86.0 ± 2.55 minutos) fue el único material experimental que cumplió con los requisitos del Instituto Nacional de Estándares Americanos (ANSI)/Asociación Dental Americana (ADA). Aumentar la cantidad de ZnO-Np al 50%, 75% o 100% disminuyó el tiempo medio de fraguado del sellador.

Fluidez

Todos los selladores se ajustaron a la estandarización ANSI/ADA. En general, no hubo una diferencia significativa entre los selladores de control y los selladores experimentales a base de ZnO-Np (P > .05); sin embargo, mezclar 25%–75% de ZnO-Np con el sellador redujo significativamente las características de fluidez (P < .05).

Solubilidad

Los valores de solubilidad de Grossman (4.68 % 1.02%), 75% ZnO-Np (4.57% 0.80%) y 100% ZnO-Np (4.09% 0.76%) no mostraron diferencia estadística (P > .05) y fueron superiores a los requisitos de ANSI/ADA. Solo los selladores de 25% y 50% de ZnO-Np se ajustaron a la estandarización ANSI/ADA, pero el sellador de 25% de ZnO-Np mostró una solubilidad significativamente menor (1.81% 0.31%) que los otros selladores probados (P < .05).

Análisis SEM/EDX

Los micrografías típicas de SEM y los espectros EDX correspondientes de los elementos obtenidos de las muestras antes y después del almacenamiento en agua en la prueba de solubilidad se muestran en Figuras 1–3. En general, se observó que todas las superficies presentaron cambios morfológicos después de la prueba de solubilidad. El análisis de rayos X por dispersión de energía de las superficies externa e interna de todos los selladores mostró picos de Zn, Ba, C, O, S y Bi en orden decreciente.

El análisis SEM del sellador Grossman (Fig. 1) y de los selladores experimentales de ZnO-Np al 50%–100% (Fig. 2) mostró una superficie externa compacta antes de la prueba de solubilidad, con la aparición de grietas y pequeñas porosidades después de la exposición al agua. El análisis de la superficie interna reveló estructuras irregulares con partículas de diferentes dimensiones y formas que disminuyen en número después de la prueba de solubilidad. La pérdida de la matriz fue evidente, y las partículas de relleno (material granular) eran más distinguibles. En general, en estos selladores, EDX mostró un aumento de Bi y una reducción significativa en los valores de C después de la prueba.

Los aspectos exterior e interior del sellador de 25% ZnO-Np (Fig. 3), antes y después de la prueba de solubilidad, eran superficies rugosas compactas y mayormente homogéneas. No se observaron grietas en la superficie exterior antes o después de la prueba. En la superficie interior de los especímenes, se observó una dispersión no homogénea de partículas de forma irregular. También se pudieron observar algunas pequeñas grietas después de la prueba de solubilidad, pero pueden haber sido causadas por el procedimiento de seccionado. En la superficie exterior, el análisis de rayos X por dispersión de energía mostró una reducción de Zn y Ba y un aumento en los valores de O, Bi y S, mientras que en la superficie interior hubo un aumento en Ba y Zn y una disminución en los valores de S. No se detectaron cambios en el valor de C después de la prueba de solubilidad en ninguna de las superficies exterior o interior.

Cambio Dimensional

Todos los materiales mostraron contracción postendurecimiento (valores negativos), y los cambios dimensionales de Grossman (—2.33% ± 0.28%), 75% ZnO-Np (—1.49% ± 0.22%), y 100% ZnO-Np (—2.30% ± 0.19%) no cumplieron con los requisitos de ANSI/ADA.

El cambio dimensional medio más bajo se observó en el sellador de 25% ZnO-Np (—0.34% ± 0.12%).

Radiopacidad

Todos los selladores mostraron radiopacidad por encima de 3 mm de aluminio como lo recomienda ANSI/ADA. Los valores de radiopacidad de 25% ZnO-Np (9.08 ± 0.04 mmAl) y 50% ZnO-Np (8.47 ± 0.68 mmAl) fueron estadísticamente similares (P > .05) pero más altos que los de los otros grupos (P < .05).

Discusión

El tiempo de fraguado es el tiempo necesario para que el sellador logre sus propiedades definitivas. Depende de los constituyentes, el tamaño de las partículas, la temperatura ambiente y la humedad relativa. No hay un tiempo de fraguado estándar estipulado para los selladores, pero la ventaja clínica exige que debe ser lo suficientemente largo para permitir la colocación y ajuste del relleno del conducto radicular cuando sea necesario. Según el fabricante, el sellador Grossman se endurece en aproximadamente 2 horas a 37°C y 100% de humedad relativa; sin embargo, el tiempo de fraguado preciso depende de la calidad del ZnO, el pH de la resina, la técnica de manipulación, la consistencia, el grado de humedad y la temperatura/sequedad de la losa/espátula de mezcla. La disminución observada en el tiempo de fraguado de los selladores experimentales en este estudio puede atribuirse a la mayor tasa de reacción de hidratación en los selladores preparados con ZnO-Np.

La capacidad de un sellador endodóntico para fluir hacia las porciones no instrumentadas de los conductos radiculares y entre la interfaz de gutapercha y dentina radicular, sin aumentar el riesgo de extrusión periapical, es una característica importante, que está influenciada por el tamaño de las partículas, la tasa de corte, la temperatura, el tiempo, el diámetro interno de los conductos y la tasa de inserción. Los estándares ANSI/ADA requieren que un sellador tenga un diámetro de no menos de 20 mm, y los selladores que contienen Np probados en este estudio cumplieron con este requisito. Las propiedades de flujo mejoradas en los selladores incorporados con Np podrían explicarse por la capacidad del ZnO-Np para interrumpir la cohesión a granel y reducir las fuerzas de fricción entre partículas grandes de manera más efectiva.

La solubilidad indica la pérdida de masa del material cuando se sumerge en agua. Idealmente, no debería exceder el 3%. En el estudio actual, se utilizó una prueba de solubilidad modificada que permitió probar un volumen más pequeño de muestras. La alta solubilidad del sellador de Grossman (4.68% ± 1.02%) observada puede ser causada por la liberación continua de eugenol libre, que es ligeramente hidrosoluble y está presente en el sellador de ZnO establecido. La lixiviación continua de eugenol por el agua resultaría en la descomposición progresiva del eugenolato de zinc y la desintegración del sellador. Además, la adición de borato de sodio anhidro, que es altamente soluble en agua, combinada con la desintegración de la resina durante el proceso de hidrogenación favorece el desprendimiento de partículas del material y un aumento en la estructura porosa, lo que lleva a un aumento en la tasa de disolución, lo que ayuda a explicar los resultados. Curiosamente, la adición del 25% o 50% de ZnO-Np a la formulación del sellador redujo significativamente la solubilidad a un nivel que cumple con los requisitos de ANSI/ADA. Estos hallazgos son causados por la alta reactividad de los Nps, que hace que la microestructura del cemento sea más densa y reduce la porosidad.

La estabilidad dimensional es una propiedad importante para los selladores endodónticos. La contracción de los selladores con el tiempo puede crear espacios en su interfaz, lo que lleva a la pérdida de adaptación marginal y fuga bacteriana, lo que, a su vez, puede comprometer el resultado del tratamiento de conducto. Según los estándares ANSI/ADA, el cambio dimensional de un sellador después de establecerse no debe exceder el 1% de contracción o el 0.1% de expansión. En este estudio, todos los selladores tuvieron algún grado de contracción post-establecimiento, lo cual está de acuerdo con estudios previos. Los selladores Grossman, 75% ZnO-Np y 100% ZnO-Np tuvieron los resultados de cambio dimensional más altos, lo que se puede explicar por sus altos valores de solubilidad. Como se mencionó anteriormente, el grado de degradación de los selladores a base de ZnO-eugenol observado durante la prueba de solubilidad excede el grado de absorción de agua después de establecerse debido a la lixiviación de eugenol en exceso y no reaccionado, así como la hidrólisis del eugenolato de zinc establecido, lo que puede afectar la estabilidad dimensional. Por otro lado, el requisito de ANSI/ADA para cambios dimensionales después de establecerse cumplió con la adición del 25% de ZnO-Np en el polvo. Como se destacó en estudios previos, un tamaño efectivo y una distribución uniforme de ZnO-Np pueden reducir la higroscopicidad del sellador, mejorando su estabilidad dimensional.

La radiopacidad relativa de los materiales de obturación de conductos radiculares es esencial para el control de la colocación. Aunque las normas requieren solo un límite inferior para esta propiedad, se debe tener en cuenta que un contraste extremo en un material puede llevar a una falsa impresión de un relleno denso y homogéneo. En el presente estudio, se cumplieron los requisitos de ANSI/ADA en todos los selladores probados. Los altos valores de radiopacidad observados en los selladores a base de ZnO-eugenol se han explicado por la presencia de 3 componentes: subcarbonato de bismuto, sulfato de bario y ZnO. Es interesante notar que la adición del 25%–50% de ZnO-Np aumentó significativamente las características de radiopacidad de los selladores experimentales de ZnO-Np, como se informó en un estudio reciente.

En el presente estudio, la sustitución del 25% del polvo de ZnO convencional por ZnO-Np mejoró el tiempo de fraguado, el flujo, la solubilidad, la estabilidad dimensional y la radiopacidad del sellador de Grossman en cumplimiento con los requisitos de ANSI/ADA. Considerando que las propiedades fisicoquímicas de los selladores endodónticos están determinadas principalmente por el tipo y las proporciones de sus componentes principales, se puede hipotetizar que la combinación del 25% de ZnO-Np con el 75% de ZnO convencional permitió una mejor estabilización de la matriz cristalina del sellador.

De hecho, la evidencia que apoya esta afirmación se basa en la ligera pérdida de componentes del sellador durante la prueba de solubilidad, principalmente el elemento carbono y el componente orgánico de la resina hidrogenada. En el sellador de Grossman, la resina hidrogenada contribuye a un mayor flujo y a una menor solubilidad. La resina es una forma sólida de resina obtenida de pinos y algunas otras plantas. Consiste en una mezcla compleja de diferentes sustancias, incluyendo ácidos orgánicos como el ácido plicático, el ácido pimarico y, en casos especiales, el ácido abietico (C₂₀H₃₀O₂), que se obtienen de la hidrogenación de la resina. Aunque los materiales de tamaño nano pueden ser útiles en endodoncia, también pueden ser potencialmente peligrosos una vez que tienen acceso sin restricciones al tejido huésped, ya que pueden evadir el sistema inmunológico del huésped. Por lo tanto, se deben realizar más estudios de seguridad sobre la incorporación de ZnO-Np al sellador de conductos radiculares antes de su aplicación clínica.

En general, la incorporación de ZnO-Np disminuyó el tiempo de fraguado y los cambios dimensionales característicos del sellador de Grossman. La sustitución del 25% del polvo de ZnO convencional por ZnO-Np mejoró el tiempo de fraguado, el flujo, la solubilidad, la estabilidad dimensional y la radiopacidad del sellador de Grossman, todos los cuales cumplían con los requisitos de ANSI/ADA.

Autores: Marco Aurélio Versiani, Fuad Jacob Abi Rached-Junior, Anil Kishen, Jesus Djalma Pécora, Yara Terezinha Silva-Sousa, Manoel Damião de Sousa-Neto

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