Antimicrobial properties of metal/metal oxide nanoparticles and their possibilities in dental implantology

Abstract

Dental implants have become one of the most used ways of restoring dental defects and have a high success rate. Implantation failure can be a consequence of plaque biofilm formation in the oral cavity after implantation and the development of mucositis or peri-implantitis, therefore it is important to provide dental implants with antimicrobial properties, in particular with the help of nanoparticles. The objective is to analyze the current state of application of metal nanoparticles and their oxides to provide antimicrobial properties to dental titanium implants. Literature sources were searched in the PubMed database with a selection of publications over the past 10 years that are simultaneously involved in implantology and microbiological research. Analysis of the literature confirmed that when the use of dental implants was complicated by infection, Staphylococcus aureus, Streptococcus mutans and Escherichia coli were the main causative agents. Pathogenic bacteria Porphyromonas gingivalis or Aggregatibacter actinomycetemcomitans and fungi Candida albicans have also caused implant infections. The peri-implant microbiota had specificity both in the presence of bacteria and in the proportion of microorganisms. For the development of antimicrobial dental implants, research is focused on their nanoscale modifications using nanoparticles of metals and their oxides: silver, gold, copper, zirconium, zinc oxide, titanium dioxide. The addition of these nanoparticles to the material of dental implants gives it a long-lasting antimicrobial effect against oral pathogens, reduces the adhesion of microorganisms and the biofilm formation, which in many cases is combined with sufficient cytocompatibility. Dental implants made of titanium modified with metal/metal oxide nanoparticles have exceptional prospects for the prevention of biofilm formation and periimplantitis caused by it, but there is a problem of their practical implementation. Therefore, researchers’ efforts are focused on the functionalization of titanium implants with metal\/metal oxide nanoparticles, which are synthesized in different ways and added to the implant material, capable of being released from it and exerting an antimicrobial effect. The process of clinical translation of these scientific developments can be accelerated by technology optimization and further biological and toxicological studies. Зубні імплантати стали одним із найбільш використовуваних шляхів відновлення дефектів зубних рядів і мають високу успішність. Невдача імплантації може бути наслідком утворення біоплівки зубного нальоту в ротовій порожнині після проведеної імплантації і розвитку мукозиту або периімплантиту, тому актуальним є надання зубним імплантатам протимікробних властивостей, зокрема за допомогою наночастинок. Мета роботи – проаналізувати сучасний стан застосування наночастинок металів та їх оксидів для надання протимікробних властивостей зубним титановим імплантатам. Пошук джерел літератури було проведено в базі даних PubMed з вибором публікацій за останні 10 років, які одночасно причетні до імплантології та мікробіологічного дослідження. Аналіз літератури підтвердив, що, коли використання дентальних імплантатів ускладнювалося інфекцією, серед її збудників основними були Staphylococcus aureus, Streptococcus mutans і Escherichia coli. Патогенні бактерії Porphyromonas gingivalis або Aggregatibacter actinomycetemcomitans і гриби Candida albicans також викликали інфекції імплантату. Периімплантатна мікробіота мала специфічність як у присутності бактерій, так і в пропорції мікроорганізмів. Для розробки протимікробних зубних імплантатів дослідження зосереджені на їх нанорозмірних модифікаціях за допомогою наночастинок металів та їх оксидів: срібла, золота, міді, цирконію, оксиду цинку, диоксиду титану. Додавання цих наночастинок до матеріалу дентальних імплантатів надає йому тривалої протимікробної дії проти оральних патогенів, зменшує адгезію мікроорганізмів та утворення біоплівки, що в багатьох випадках поєднується з достатньою цитосумісністю. Зубні імплантати з титану, модифікованого метал/металоксидними наночастинками, мають виняткові перспективи з позицій профілактики утворення біоплівки та зумовленого нею периімплантиту, однак існує проблема їх практичного впровадження. Отже, зусилля дослідників зосереджені на функціоналізації титанових імплантатів метал\/металоксидними наночастинками, які в різний спосіб синтезуються і додаються до матеріалу імплантату, здатні вивільнятися з нього і справляти протимікробну дію. Процес клінічної трансляції зазначених наукових розробок може бути прискорений оптимізацією технології і подальшими біологічними та токсикологічними дослідженнями.