Biocompatibilité de matériaux dentaires nano-verre/zircone gradués après vieillissement

Résumé

Un système nano-verre/zircone gradué (G/Z) a été créé en infiltrant du nano-verre dans une surface de nano-zircone, améliorant la résistance de liaison cœur-facette. Le vieillissement est une préoccupation critique pour les polycristaux de zircone tétragonale stabilisée à l'yttrium (Y-TZP), il est donc essentiel d'évaluer comment le vieillissement affecte la biocompatibilité des systèmes G/Z avant l'utilisation clinique. Des fibroblastes gingivaux humains (FGH) ont été ensemencés sur des spécimens G/Z et Y-TZP non vieillis et vieillis pendant 2 à 72 h. Les tests comprenaient l'irritation de la muqueuse buccale, la viabilité cellulaire, l'adhésion et le stress oxydatif. L'activité métabolique a diminué de manière significative dans le G/Z vieilli et le Y-TZP à 72 h (P < 0.00001). Aucune différence significative de viabilité n'a été observée entre G/Z et Y-TZP à tous les points temporels, avant ou après vieillissement. La production de ROS a augmenté à 72 h pour le G/Z vieilli et le Y-TZP, mais les différences n'étaient pas significatives (P > 0.05). Les taux d'adhésion ont augmenté après vieillissement pour les deux matériaux, mais G/Z et Y-TZP ont montré une adhésion comparable (P > 0.05). Les scores d'irritation macroscopiques et microscopiques pour le G/Z vieilli et non vieilli étaient de 0, indiquant aucune irritation.

Conclusions

Le système G/Z démontre une excellente biocompatibilité et est prometteur pour de futures applications cliniques.

Contexte

Les céramiques de zircone dentaires, en particulier les polycristaux de zircone tétragonale stabilisée à 3 mol% d'yttrium (3Y-TZP), sont prisées pour leur haute résistance et leur résistance à la fracture grâce aux mécanismes de durcissement par transformation, les rendant courantes dans les dispositifs prothétiques [1]. Cependant, la porcelaine de revêtement appliquée sur les cœurs en zircone échoue souvent par éclatement ou délamination, principalement en raison de coefficients de dilatation thermique et de modules d'élasticité mal assortis entre le cœur et le revêtement [2, 3, 4]. Pour résoudre ce problème, nous avons précédemment introduit un système nano-verre/zircone gradué (G/Z) qui infiltre du nano-verre à faible module dans une surface de nano-zircone frittée, atteignant des résistances de liaison trois fois supérieures aux systèmes conventionnels [4].

Le vieillissement du Y-TZP — déclenché par l'humidité, la charge mécanique et la basse température — induit un rugosité de surface, des microfissures et une transformation de phase tétragonale-monoclinique (t-m), ce qui peut compromettre les propriétés mécaniques [5-9]. Puisque la chimie de surface et la rugosité influencent la biocompatibilité, il est crucial d'évaluer comment le vieillissement affecte l'interaction du système G/Z avec les tissus biologiques.

Des travaux antérieurs de Zhang et al. ont démontré les avantages mécaniques d'un composite zircone-verre infiltré [10, 11], mais la biocompatibilité de ce composite gradué, en particulier après vieillissement, reste inconnue. Cette étude comble cette lacune en comparant G/Z au Y-TZP cliniquement accepté, en évaluant la viabilité cellulaire, la morphologie, l'adhésion, le stress oxydatif et l'irritation muqueuse avant et après vieillissement.

Méthodes

Préparation des spécimens

Des spécimens Y-TZP, approuvés pour l'utilisation clinique, ont servi de témoins. Tous les échantillons étaient des plaques uniformes (1,5 × 1,5 × 0,2 cm) suivant les normes ISO 13356 pour les barres de flexion avec surfaces polies.

Préparation des spécimens G/Z

Les poudres de verre ont été broyées à l'échelle nanométrique à l'aide d'un broyeur Emax. La composition du verre infiltrant est détaillée dans le Tableau 1 [4]. Les poudres de zircone Y (5,18 % en poids Y₂O₃, grade TZ-3Y-E, Tosoh) ont été pressées uniaxialement à 150 MPa pendant 2 min, frittées partiellement à 1350 °C pendant 2 h, et broyées à 200 mailles. Les spécimens substrats ont été pré-frittés à 1200 °C pendant 2 h pour former un réseau poreux. Les bouillies de verre fondu ont été appliquées sur la surface supérieure et infiltrées à 1350 °C pendant 2 h, réalisant simultanément l'infiltration et la densification.

Préparation des spécimens Y-TZP

Les blocs Y-TZP ont été fraisés et frittés à pleine densité à l'aide d'un système CFAO (Zenostar, Weiland Dental).

Culture cellulaire

Les FGH ont été cultivés dans du DMEM/F-12 supplémenté avec 10 % de sérum fœtal bovin, 1 % de pénicilline/streptomycine, 1 % de L-glutamine et 1 % d'acides aminés non essentiels à 37 °C, 5 % CO₂. Les milieux étaient renouvelés tous les 3 jours. Les cellules ont été détachées avec du PBS et de la trypsine-EDTA, puis ensemencées sur chaque substrat à 1 × 10⁵ cellules/mL pour tous les essais.

Vieillissement

Le vieillissement mécanique simulait les conditions de mastication : les spécimens étaient placés dans de la salive artificielle à 37 °C, soumis à une charge de flexion à trois points de 80 N à 2 Hz pendant 10⁵ cycles, suivant les protocoles [12, 13].

Viabilité cellulaire

La viabilité a été évaluée à 2, 24, 48 et 72 h à l'aide du test alamarBlue® (10 % dans du DMEM). Après incubation, 500 µL de colorant ont été ajoutés, incubés pendant 4 h, et la fluorescence a été mesurée (excitation 530 nm, émission 580 nm) sur un spectrophotomètre à microplaques Synergy™ H4 (BioTek). Les expériences ont été effectuées en triplicata sur trois séries. Viabilité (%) = (absorbance des puits traités) / (absorbance des puits témoins).

Stress oxydatif

Les niveaux d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) ont été quantifiés par chimiluminescence à l'aide du kit d'essai des espèces réactives de l'oxygène (Institut de bioingénierie de Nanjing Jiancheng).

Adhésion cellulaire

Les FGH ont été cultivés pendant 2 h sur les surfaces des spécimens avant et après vieillissement. Après fixation, les noyaux ont été colorés avec DAPI (Yeasen), et les images ont été capturées avec un microscope à fluorescence inversé Carl Zeiss LSM 510. Les taux d'adhésion ont été calculés comme cellules adhérentes / cellules ensemencées au total sur cinq champs aléatoires de 450 µm × 450 µm à un grossissement ×200.

Morphologie cellulaire

Après 2 h d'incubation, les cellules sur les surfaces G/Z ont été fixées et colorées pour l'actine-F avec de la phalloïdine-rhodamine (1:100 dans 3 % BSA). Les images ont été prises avec un Zeiss LSM 510. La morphologie a également été examinée par MEB (Philips XL-30 ESEM). Les échantillons ont été montés sur des lamelles et contre-colorés avec DAPI.

Test d'irritation de la muqueuse buccale

Dix souris mâles Wistar ont reçu du G/Z vieilli dans une poche jugale et du G/Z non vieilli du côté controlatéral, selon les normes YY/T 0127.13-2009. Après 2 semaines, les poches ont été inspectées macroscopiquement, et la muqueuse jugale a été examinée histologiquement par coloration H&E. Les indices d'irritation ont été calculés en soustrayant les scores témoins des scores de test.

Analyses statistiques

L'ANOVA à un facteur (SPSS 22.0) a évalué les données groupées pour la viabilité, le stress oxydatif et l'adhésion. La significativité était fixée à P < 0.05.

Résultats

Structure de la couche graduée

L'épaisseur de la couche graduée était en moyenne de 0,9 à 1,0 mm. Les images MEB (Fig. 1a, b) révèlent une surface composée de verre résiduel, de grains de zircone enrobés de verre et de vides intergranulaires — des caractéristiques qui facilitent une forte adhésion cœur-facette. La cartographie EDS (Fig. 1c) montre un gradient : la concentration en Zr augmente plus profondément dans le matériau, tandis que Si, Al et La diminuent, confirmant le gradient compositionnel prévu [4].

Viabilité cellulaire

L'activité métabolique a diminué de manière significative dans le G/Z vieilli et le Y-TZP à 72 h (P < 0.00001) (Fig. 2a). Aucune baisse significative n'a été observée à 2, 24 ou 48 h pour aucun des matériaux. La viabilité du G/Z et du Y-TZP ne différait pas à aucun point temporel, avant ou après vieillissement (P > 0.05). Les données sont résumées dans la Figure 2a.

Stress oxydatif

Le G/Z vieilli et le Y-TZP ont montré une augmentation significative des ROS à 72 h (P < 0.00001). Aucune différence significative n'a été notée aux points temporels antérieurs (P > 0.05). Le G/Z et le Y-TZP ont produit des niveaux de ROS comparables tout au long de l'étude, avant et après vieillissement (P > 0.05).

Adhésion cellulaire

Les taux d'adhésion ont augmenté pour le G/Z et le Y-TZP après vieillissement (Fig. 2c). Aucune différence significative n'existait entre les deux matériaux avant ou après vieillissement (P > 0.05). Des images représentatives de l'adhésion cellulaire sur Y-TZP et G/Z avant et après vieillissement sont montrées dans la Figure 3.

Morphologie cellulaire

L'imagerie par fluorescence a révélé que les cellules adéraient au G/Z vieilli et non vieilli, avec un étalement et un aplatissement améliorés sur les surfaces vieillies (Fig. 4a-c). Le MEB a confirmé des cellules bien étalées, polygonales avec des microvillosités étendues sur les deux surfaces (Fig. 5a, b).

Test d'irritation de la muqueuse buccale

Les scores d'irritation macroscopiques et microscopiques étaient de 0 pour le G/Z vieilli et non vieilli, indiquant aucune irritation. L'histopathologie a confirmé l'absence de changements muqueux (Fig. 6a, b).

Discussion

Les alliages métal-céramique ont cédé la place à des alternatives sans métal en raison des préoccupations concernant la libération d'ions métalliques [14-18]. Alors que beaucoup de recherches se concentrent sur les améliorations céramiques, le système G/Z offre une voie prometteuse pour améliorer les performances de la zircone sans ajouter de composants métalliques. Cette étude démontre que le G/Z maintient une biocompatibilité comparable au Y-TZP, même après vieillissement, qui simule des conditions buccales réalistes.

Le vieillissement a diminué la prolifération cellulaire à 72 h pour les deux matériaux, s'alignant avec certaines publications rapportant une biocompatibilité réduite après vieillissement [20] et contrastant avec d'autres notant une amélioration [21]. Les variations proviennent probablement de protocoles de vieillissement différents. Notre protocole — charge de 80 N, 2 Hz, 10⁵ cycles dans de la salive artificielle à 37 °C — reflète les forces de morsure et la température cliniques, fournissant une évaluation réaliste des effets du vieillissement [22].

La baisse observée de la viabilité et la hausse des ROS peuvent refléter la diffusion ionique et le stress local de la transformation t-m, qui peuvent compromettre l'intégrité cellulaire [6, 23].

Fait intéressant, le vieillissement a augmenté l'adhésion pour le G/Z et le Y-TZP sans modifier les taux d'adhésion relatifs. Les surfaces rugueuses et hydrophiles après vieillissement améliorent probablement l'adsorption des protéines, favorisant une meilleure attache cellulaire [27-29]. L'adhésion comparable suggère que les propriétés de surface du G/Z restent favorables après vieillissement.

Les tests d'irritation in vivo n'ont révélé aucun changement histopathologique, soutenant la sécurité du G/Z pour le contact muqueux. La quantité modeste de phase monoclinique introduite lors de l'infiltration préserve probablement l'intégrité mécanique tout en maintenant le matériau biocompatible, comme montré dans des travaux antérieurs sur le Y-TZP infiltré d'Al₂O₃ [30].

D'autres composites verre-zircone ont montré une bonne biocompatibilité et bioactivité in vitro et in vivo [31-33]. Nos résultats étendent cette preuve au système nano-verre/zircone gradué, offrant un matériau qui équilibre résistance mécanique, esthétique et sécurité biologique.

Conclusions

Les évaluations de biocompatibilité — incluant la viabilité cellulaire, l'adhésion, la morphologie, le stress oxydatif et l'irritation muqueuse — démontrent que le G/Z performe à niveau avec le Y-TZP avant et après vieillissement. Ces résultats positionnent le G/Z comme un candidat prometteur pour les prothèses dentaires. Des études in vitro et in vivo plus complètes sont nécessaires pour confirmer ces résultats préliminaires.

Abréviations

DAPI :

4′,6-Diamidino-2-phénylindole dihydrochloride

F-actine :

Actine filamentaire

FGM :

HAp-Al₂O₃-ZrO₂

G/Z :

Nano-verre/zircone gradué

MEB :

Microscopie électronique à balayage

t-m :

Tétragonal à monoclinique

Y-TZP :

Polycristal de zircone tétragonale stabilisée à l'yttrium