Development of denture base resin incorporated with dodecyl quaternary ammonium compound for antifungal efficacy against Candida albicans

Abstract

Poly(methyl methacrylate) (PMMA) is a widely used materials in denture fabrication due to its low cost, biocompatibility, and aesthetic properties. However, its susceptibility to microbial accumulation and subsequent abrasion-induced denture stomatitis remains a challenge. Quaternary ammonium compounds have been extensively used for surface modifications and are known for their antimicrobial properties. Among them, the quaternary ammonium compound with 12 carbons has demonstrated antifungal properties when used as a surface coating material. Nonetheless, there is a lack of research investigating the antifungal effects of incorporating this compound into denture base resin. Therefore, this study aims to develop a denture base resin incorporating the dodecyl quaternary ammonium compound (pDMAEMAC12) and evaluate its antifungal efficacy against Candida albicans and its physical and mechanical properties for clinical applicability. The denture base resin was modified by incorporating dodecyl quaternary ammonium polymer at various weight percentages (0-control, 0.5, 0.75, and 1.0 wt. %). Polymerization of pDMAEMAC12 was confirmed using 1H NMR, and the aggregation of pDMAEMAC12 in PMMA was analyzed through scanning electron microscopy (SEM). The surface properties of the denture base resin, incorporated with pDMAEMAC12, were evaluated using color measurement, water sorption, and solubility. Mechanical properties were assessed by flexural strength and flexural modulus following ISO 20795-1 standards. The antifungal analysis involved measuring the colony forming unit (CFU) of Candida albicans (C. albicans). Both non-aged and thermally aged groups were evaluated for CFU tests to assess long-term antifungal efficacy. Given that quaternary ammonium is known for its antimicrobial effect through contact killing, confocal laser scanning microscopy (CLSM) was employed to evaluate adhered fungal viability on the specimens. Finally, biocompatibility was assessed through cytotoxicity on L929 fibroblast cells. The SEM images indicated no significant differences among the tested groups. Contact angle results also showed no significant differences among the groups (p > 0.05). When comparing the control and the groups containing pDMAEMAC12, there were no significant differences in color, water sorption, and solubility (p > 0.05). Regarding mechanical properties, all groups met ISO standard requirements in flexural strength and flexural modulus, but the C12 1.0% group exhibited significantly decreased strength compared to the control (p < 0.05). CFU results on C. albicans revealed that the antifungal efficacy significantly increased when more than 0.75 wt.% of pDMAEMAC12 was incorporated into the denture base resin (p < 0.05). Furthermore, all aged groups containing pDMAEMAC12 showed a significant antifungal effect compared to the control (p < 0.05), especially when more than 0.75 wt.% of pDMAEMAC12 was incorporated. Additionally, CLSM results demonstrated that more dead fungi were observed on the specimen surface as more pDMAEMAC12 was incorporated, confirming the contact killing mechanism of quaternary ammonium. Lastly, despite significant differences in cytotoxicity between the control and the groups containing pDMAEMAC12, all values met ISO standard criterion. Therefore, it can be concluded that the incorporation of up to 0.75 wt.% of pDMAEMAC12 into the denture base resin would not adversely affect the physical and mechanical properties of the denture base resin while providing a long-term antifungal effect. Consequently, PMMA incorporated with 0.75 wt.% pDMAEMAC12 would exhibit sustained antifungal efficacy, promoting healthy oral conditions for edentulous patients. 의치에 주로 사용되는 폴리메틸메타크릴레이트(이하 PMMA)는 생체 적합하고 가격이 저렴하며 심미적이지만 장기간 사용 시 미생물이 자라기 쉬운 환경이 조성되어 구강 내 감염을 유발한다. 맞지 않는 의치나 Candida albicans에 의해 유발되는 의치성 구내염은 의치 사용자 중 2/3 정도에서 발병된다고 보고된다. 이에 치과 재료의 항균을 증진시키는 방법으로 이온 방출 및 재료 코팅이 거론되어 왔지만 항균 물질을 적용하면 물리적 성질이 저하되며 장기적 사용이 어렵고, 표면 손상 시 그 효과가 저하된다는 문제가 있다. 4차 암모늄은 레진 기질에 고정되어 미생물에 대한 세포 사멸을 일으켜 장기적인 항균 효과에 대한 기대를 받고 있다. 이에 본 연구의 목적은 의치의 물리·기계적 성질을 저하시키지 않는 최적 양의 4차 암모늄을 PMMA에 적용하고, 이에 대한 장기적인 항진균 효과에 대해 확인하는 것이다. 본 연구에서는 dodecyl quaternary ammonium을 합성 후 PMMA에 질량비에 따라 각각 0 %(대조군), 0.5 %, 0.75 %, 1.0 %씩 첨가하여 제작하였다. 먼저, 1H NMR을 통해 4차 암모늄 합성을 확인하였고, SEM을 통해 4차 암모늄이 PMMA에 전체적으로 고르게 잘 분산되어 있는 것을 확인하였다. 표면 특성은 SEM을 이용한 연마 후 시편 표면 관찰과 접촉각 측정을 통해 평가하였다. 물리적 특성은 시편 표면의 색차 및 물 흡수·용해도를 이용해 측정하였다. 기계적 성질은 ISO 20795-1에 따라 굴곡 강도 및 계수를 통해 평가하였다. 또한 항진균 평가는 Candida albicans에 대한 CFU를 통해 평가하였다. 이 때 장기적인 항진균 효과에 대해 평가하기 위해 중합 후 항진균력을 평가한 군과 thermocyce aging을 통해 구강 내에서 3주 간의 환경을 모사한 군으로 나눠 항진균력을 평가하였다. 또한 contact killing으로 알려진 4차 암모늄의 항진균성을 측정하기 위해 CLSM을 통해 시편 표면에 부착된 진균의 활성도를 관찰하였다. 마지막으로, 본 재료의 생체 적합성을 평가하기 위해 L929 세포에 대한 세포 독성을 진행하였다. 연마된 시편을 SEM을 통해 관찰했을 때 모든 그룹에서 뚜렷한 차이가 나지 않는 것을 확인하였고, 접촉각 측정 결과 모든 그룹에서 유의한 차이가 나타나지지 않았다(p > 0.05). 4차 암모늄을 함유한 그룹들은 대조군과 비교 했을 때 유의한 색차값을 갖지 않았으며(p > 0.05), 물 흡수·용해도 또한 그룹 간 유의차가 나타나지 않았다(p > 0.05). 굴곡 강도 측정 결과 모든 그룹이 ISO 기준에 부합하는 강도를 갖지만, 4차 암모늄을 1.0 % 함유한 그룹은 대조군과 유의한 차이를 가졌다(p < 0.05). Candida albicans에 대한 항진균 평가 결과 4차 암모늄이 0.75 % 이상 함유됐을 때 대조군과 유의한 차이를 갖는 항진균 효과를 보였으며(p < 0.05), 구강 내 3주에 해당하는 기간만큼 aging 시켰을 때는 항진균 효과에 있어서 모든 그룹에서 대조군과 유의한 차이를 보였다(p < 0.05). 특히 0.75 % 이상의 그룹에서 그 차이가 더 뚜렷하게 나타났다. 또한, CLSM 결과 4차 암모늄의 함유량이 높아질수록 시편의 표면에서 사멸된 항진균의 수는 높아졌고, 이를 통해 4차 암모늄의 contact killing 기전을 확인할 수 있었다. 마지막으로, 세포 독성에 있어서 실험군은 대조군과 유의한 차이가 있었지만 ISO 표준에 부합하는 값을 가졌다(p < 0.05). 본 연구를 통해 4차 암모늄을 0.75 wt.%까지 적용했을 때 PMMA의 물리·기계적 특성에 영향을 미치지 않으며, 0.75 wt% 이상 적용했을 때 장기적인 항진균 효과를 갖는 것을 확인하였다. 이를 통해 0.75 wt%의 4차 암모늄을 함유한 PMMA를 사용하면 지속되는 항진균 효과로 인해 무치악 환자의 구강 위생이 보다 건강하게 유지될 것으로 사료된다.