Implementing Microfluidic Flow Device Model in Utilizing Dural Substitutes as Pulp Capping Materials for Vital Pulp Therapy

Abstract

Vital pulp therapy (VPT) has gained prominence with the increasing trends towards conservative dental treatment with specific indications for preserving tooth vitality by selectively removing the inflamed tissue instead of the entire dental pulp. Although VPT has shown high success rates in long-term follow-up, adverse effects have been reported due to the calcification of tooth canals by mineral trioxide aggregates (MTA), which are commonly used in VPT. Canal calcification poses challenges for accessing instruments during retreatment procedures. To address this issue, the present study investigates the potential of dural substitutes as alternative pulp capping materials with mechanical and biological properties favorable for maintaining pulp health while reducing canal calcification risk. Specifically, the study assessed the mechanical characteristics of two dural substitutes, Biodesign (BD) and Neuro–patch (NP), designed to alleviate intra–pulpal pressure associated with inflammation. The biological responses of human dental pulp stem cells (hDPSC), which are essential for pulp regeneration and repair, were evaluated in vitro. A microfluidic flow device was developed to simulate the dynamic blood flow environment of the dental pulp, with computational fluid dynamics (CFD) simulations confirming that the device accurately reproduced physiological flow velocities. In addition, the barrier properties of the dural substitutes were tested against 2–hydroxypropyl methacrylate (HEMA), a cytotoxic monomer released from bonding agents and restorative materials. Both BD and NP demonstrated effective resistance to HEMA penetration, suggesting their potential to protect pulp tissue from chemical irritation. The biological responses observed in the microfluidic device closely paralleled those found in live pulp tissues, highlighting the utility of this platform as a physiologically relevant in vitro model for future VPT material testing. These findings support the use of dural substitutes as promising alternatives to MTA in vital pulp therapy, offering both biological compatibility and protection from external irritants, while also presenting a novel microfluidic approach for in vitro pulp tissue modeling.

생활치수치료는 염증이 발생한 치수를 전체적으로 제거하는 대신 선택적으로 제거하여 치수의 생명력을 보존하는 보존적 치과 치료의 중요성이 증가함에 따라 주목받고 있다. 생활치수치료는 장기적인 추적관찰에서 높은 성공률을 보였지만, 일반적으로 사용되는 치수복조재인 Mineral trioxide aggregate(MTA) 에 의해 치근관이 석회화되는 부작용이 보고되었다. 치근관의 석회화는 재치료 시 기구의 접근을 어렵게 만드는 문제를 초래한다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 염증으로 인해 발생하는 치수 내 압력을 완화하도록 설계된 경막 대체재의 기계적 특성을 평가하고, 치수 내에서 중요한 역할을 하는 인간 치수 줄기세포 (hDPSC) 의 생물학적 반응을 조사했다. 또한 경막 대체재가 MTA 를 대체하는 치수복조재로 적용 가능한지 평가했으며, 이를 위해 치수 내 혈류 환경을 모사한 미세유체 흐름 장치 모델을 활용하였다. 또한, computational fluid dynamics (CFD) 시뮬레이션을 통해 미세유체 흐름 장치 내 유체 흐름 속도가 실제 치수 내 혈류 속도와 일치하도록 조정하였다. 더 나아가, 경막 대체재 (Biodesign 및 Neuro-patch) 는 상부 수복재 및 접착제로부터 방출되는 2-Hydroxypropyl Methacrylate (HEMA) 의 침투에 대한 저항성을 나타냈다. 따라서, 경막 대체재는 HEMA 침투 저항성을 바탕으로 생활치수치료의 유망한 대체 후보이다. 또한 미세유체 흐름 장치 모델은 실제 치수 조직에서 관찰되는 반응을 정밀하게 재현하였으며, 이는 향후 in vivo 테스트 플랫폼으로 활용될 가능성을 시사한다.