Antibacterial properties and abrasion-stability: Development of a novel silver-compound material for orthodontic bracket application Translated title: Antibakteriell und abrasionsstabil: Entwicklung eines innovativen Silberverbundmaterials zur Anwendung als kieferorthopädisches Bracketmaterial

Abstract

Purpose

Bacteria-induced white spot lesions are a common side effect of modern orthodontic treatment. Therefore, there is a need for novel orthodontic bracket materials with antibacterial properties that also resist long-term abrasion. The aim of this study was to investigate the abrasion-stable antibacterial properties of a newly developed, thoroughly silver-infiltrated material for orthodontic bracket application in an in situ experiment.

Methods

To generate the novel material, silver was vacuum-infiltrated into a sintered porous tungsten matrix. A tooth brushing simulation machine was used to perform abrasion equal to 2 years of tooth brushing. The material was characterized by energy dispersive X‑ray (EDX) analysis and roughness measurement. To test for antibacterial properties in situ, individual occlusal splints equipped with specimens were worn intraorally by 12 periodontal healthy patients for 48 h. After fluorescence staining, the quantitative biofilm volume and live/dead distribution of the initial biofilm formation were analyzed by confocal laser scanning microscopy (CLSM).

Results

Silver was infiltrated homogeneously throughout the tungsten matrix. Toothbrush abrasion only slightly reduced the material’s thickness similar to conventional stainless steel bracket material and did not alter surface roughness. The new silver-modified material showed significantly reduced biofilm accumulation in situ. The effect was maintained even after abrasion.

Conclusion

A promising, novel silver-infiltrated abrasion-stable material for use as orthodontic brackets, which also exhibit strong antibacterial properties on in situ grown oral biofilms, was developed. The strong antibacterial properties were maintained even after surface abrasion simulated with long-term toothbrushing.

Translated abstract

Zielsetzung

Bakterieninduzierte „white spot lesions“ sind eine der häufigsten Komplikationen moderner kieferorthopädischer Behandlungen. Daher besteht großes Interesse an neuen kieferorthopädischen Bracketmaterialien mit antibakteriellen Eigenschaften, die gleichzeitig abrasionsstabil sind. Ziel dieser In-situ-Studie war die Untersuchung der antibakteriellen Eigenschaften in Abhängigkeit zur Abrasion eines neu entwickelten, vollständig silberinfiltrierten Materials für die kieferorthopädische Anwendung.

Methoden

Zur Herstellung des neuartigen Materials wurde Silber mittels Vakuuminfiltration in eine gesinterte, poröse Wolfram-Matrix eingebracht. Um die Abrasion durch Zähneputzen über einen Zeitraum von 2 Jahren nachzustellen, wurde eine Zahnputzsimulationsmaschine genutzt. Das Material wurde im Anschluss mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Rauheitsmessung analysiert. Um die antibakteriellen Eigenschaften in situ zu untersuchen, wurden die Probekörper an individuellen Aufbissschienen befestigt und von 12 parodontal gesunden Probanden für 48 h intraoral getragen. Nach anschließender Fluoreszenzfärbung wurden das Biofilmvolumen sowie die Lebend-tot-Verteilung durch konfokale Laserscanningmikroskopie (CLSM) quantifiziert.

Ergebnisse

Das Silber konnte homogen in die Wolfram-Matrix infiltriert werden. Das Material widerstand der Zahnputz-Abrasion in vergleichbarem Maße wie konventionelles Edelstahl-Bracketmaterial und auch die Oberflächenrauheit veränderte sich nicht. Eine signifikante Reduktion der Biofilmakkumulation konnte auf dem neuen silbermodifizierten Material nachgewiesen werden. Dieser Effekt blieb auch nach der Abrasion erhalten.

Schlussfolgerung

Es konnte ein neues silberinfiltriertes, abrasionsstabiles Material mit vielversprechenden Eigenschaften für die Anwendung als kieferorthopädisches Bracketmaterial entwickelt werden, das starke antibakterielle Eigenschaften gegenüber oralen Biofilmen in situ aufweist. Dieser antibakterielle Effekt bleibt auch nach Langzeit-Abrasion mit einer Zahnputz-Simulationsmaschine erhalten.