Antifungal effect of 3D printing denture base resin by addition of nanoceria on Candida albicans

Abstract

치과 분야에서 3D 프린팅 기술이 발전함에 따라 현재 3D 프린팅 의치가 사용되고 있다. 그러나, 의치 구내염은 3D 프린팅 의치에서 문제가 되고 있다. 의치 구내염의 주요 원인 중 하나는 의치 표면에 부착되는 Candida albicans이다. 최근에는 이를 해결하기 위해 항균 및 항진균성을 가지는 3D 프린팅 의치상용 레진 제조에 대한 많은 연구가 진행되었다. 산화세륨 나노입자(나노세리아)는 Candida albicans에 항진균 효과가 있는 재료이다. 그럼에도 불구하고 3D 프린팅 의치상용 레진에 나노세리아를 첨가하여 항진균 효과를 조사한 연구는 없다. 따라서, 이 연구의 목적은 나노세리아가 첨가된 3D 프린팅 의치상용 레진을 제조하고, 제조된 레진의 Candida albicans에 대한 항진균 효과 및 임상 적용 가능성에 대해 조사하는 것이다. 나노세리아는 용매 기반 혼합 방법을 사용하여 3D 프린팅 의치상용 레진에 첨가되었다(0 - 대조군, 0.5, 1.0, 2.0 및 4.0 wt%). 나노세리아가 첨가된 3D 프린팅 의치상용 레진에서의 나노세리아 응집 정도를 TEM으로 관찰하였고, 3D 프린팅 가능성을 파악하기 위해 점도를 측정하였다. 모든 시편은 디자인하고 출력한 뒤, 후처리 및 후경화의 과정을 거쳐 시험에 사용하였다. FT-IR을 사용하여 출력 전후의 중합도를 확인하였다. 표면 특성은 SEM/EDS, 표면조도측정기, 광택계, 접촉각 측정기를 통해 확인하였다. 물리적 성질은 물 흡수도 및 용해도로 관찰되었다. 기계적 성질은 굴곡 강도 및 계수, 미세 경도를 통해 확인하였다. 세포독성은 MTT 방법을 통해 관찰하였다. 항진균 실험에 Candida albicans를 사용하였으며, 항부착과 성장억제에 대한 실험을 진행하였다. 항부착 평가는 colony forming unit (CFU)로 측정하였고, CLSM과 SEM을 이용하여 관찰하였다. 성장억제는 colony forming unit (CFU)로 측정하였다. 마지막으로, 정확도를 위해 진실도와 정밀도를 관찰하였다. TEM 결과를 통해 나노세리아의 함량이 높아질수록 더 응집되는 양상을 확인하였다. 중합도의 결과, 2.0, 4.0 wt% 그룹이 대조군보다 유의하게 낮은 값을 나타냈다(p < 0.05). SEM/EDS 결과를 통해 출력된 시편에서 나노세리아가 균질하게 분산되어 있음을 확인하였다. 거칠기와 광택도는 모든 그룹에서 유의한 차이가 없었고(p > 0.05), 물 흡수도 및 용해도는 2.0, 4.0 wt% 그룹이 대조군과 비교하여 유의하게 낮게 나타났다(p < 0.05). 굴곡 강도 및 계수의 경우, 0.5, 1.0 wt% 그룹이 대조군과 유의한 차이가 없었다(p > 0.05). 경도의 결과, 1.0 wt% 나노세리아를 첨가한 그룹이 다른 그룹보다 유의하게 높은 값을 보였다(p < 0.05). 세포독성의 경우, 모든 그룹이 대조군과 유의한 차이가 없었다(p > 0.05). 항부착의 경우, 나노세리아 함량이 증가함에 따라 Candida albicans의 부착이 유의하게 감소하였으며(p < 0.05), CLSM과 SEM의 결과도 동일한 양상을 보였다. 또한 성장억제의 결과를 통해 나노세리아 함량이 증가함에 따라 Candida albicans의 성장이 유의하게 감소하는 것을 확인하였다(p < 0.05). 진실도의 경우, 0.5, 1.0 wt% 그룹이 대조군과 유의한 차이가 없었다(p > 0.05). 정밀도의 경우, 대조군과 모든 그룹간에 유의한 차이가 있었다 (p < 0.05). 이 연구를 통해 3D 프린팅 의치상용 레진에 첨가된 나노세리아의 함량이 높아질수록 항진균 효과가 더 높은 것으로 나타났다. 항부착과 성장억제의 결과, 대조군이 가장 높은 값을 보였고, 4.0 wt% 나노세리아를 첨가한 3D 프린팅 의치상용 레진이 가장 낮은 값을 보였으며, 두 그룹간에 유의한 차이가 있었다. 또한, 0.5와 1.0 wt% 나노세리아를 첨가한 3D 프린팅 의치상용 레진의 물리적, 기계적, 생물학적 특성 및 진실도는 대조군의 값과 유의한 차이가 없었다. 따라서, 1.0 wt% 나노세리아가 첨가된 3D 프린팅 의치상용 레진은 3D 프린팅 의치상을 제작하기 위한 재료로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

As 3D printing technology advances in the dental field, 3D printing dentures are currently being used. However, denture stomatitis is a problem with 3D printed dentures. One of the main causes of denture stomatitis is Candida albicans, which attach to the surface of dentures. Recently, many studies have been conducted on the manufacture of 3D printing denture base resins with antibacterial and antifungal properties to solve this problem. Cerium oxide nanoparticle (Nanoceria) is a material that has antifungal effects against Candida albicans. Nonetheless, there are no studies investigating the antifungal effects by adding nanoceria to 3D printing denture base resin. Therefore, the aim of this study was to manufacture the 3D printing denture base resin incorporating nanoceria, and investigate the antifungal effects and clinical applicability of the manufactured resins to Candida albicans. Nanoceria was incorporated into 3D printing denture base resin using a solvent-based mixing method (0-control, 0.5, 1.0, 2.0 and 4.0 wt%). The degree of nanoceria aggregation in the 3D printing denture base resin incorporating nanoceria was observed by TEM, and the viscosity was measured in order to determine the possibility of 3D printing. All specimens were designed and printed and used for the test after post-treatment and post-curing process. The degree of conversion before and after printing was confirmed using FT-IR. The surface properties were identified by SEM/EDS, surface profilometer, gloss meter, and droplet analysis device. The physical properties were observed for water absorption and solubility. The mechanical properties were determined by flexural strength and modulus, microhardness. The cytotoxicity was observed through the MTT method. The Candida albicans was used for antifungal tests and tests were performed for anti-adhesion and growth inhibition. The anti-adhesion assessment was performed by colony forming unit (CFU) and the attached Candida albicans were observed using CLSM and SEM. The growth inhibition was measured by a colony forming unit (CFU). Finally, trueness and precision were observed for accuracy. Through the TEM results, it was showed that the higher the nanoceria content, the more aggregated. As a result of the degree of conversion, the 2.0 and 4.0 wt% groups showed significantly lower values than the control group (p < 0.05). The SEM/EDS results was confirmed that nanoceria was homogeneous in the printed specimen. The results of surface roughness and gloss were not significantly different in all groups (p > 0.05), and water sorption and solubility were significantly lower value in the 2.0 and 4.0 wt% groups compared to the control group (p < 0.05). For flexural strength and flexural modulus, the 0.5 and 1.0 wt% groups were not significantly different from the control group (p > 0.05). As a result of the hardness, the group containing 1.0 wt% nanoceria showed a significantly higher value than the other groups (p < 0.05). In the case of cytotoxicity, all groups were not significant difference from control group (p > 0.05). In the case of anti-adhesion, Candida albicans adhesion decreased significantly (p < 0.05) as the nanoceria content increased, and CLSM and SEM results also showed similar appearance. In addition, the results of growth inhibition were confirmed that the growth of Candida albicans decreased significantly as the content of nanoceria increased (p < 0.05). For trueness, the 0.5 and 1.0 wt% groups were not significant difference from the control group (p > 0.05). In the case of precision, there was a significant difference between the control group and all test groups (p < 0.05). This study showed that the higher the content of nanoceria added to 3D printing denture base resin, the higher the antifungal effects. As a result of anti-adhesion and growth inhibition, the control groups showed the highest value and the 3D printing denture base resin incorporating 4.0 wt% nanoceria showed the lowest value, and there was significantly difference between the two groups. In addition, the physical, mechanical, biological properties and trueness of the 3D printing denture base resin incorporating 0.5 and 1.0 wt% nanoceria were not significantly different from the values of the control group. Therefore, it is expected that the 3D printing denture base resin incorporating 1.0 wt% nanoceria can be usefully used as a material for producing 3D printed dentures.