E-glass fiber reinforced composite as an oral implant abutment material. In vitro bacterial adhesion assay and biomechanical tests

Abstract

E-glass fiber-reinforced composites (FRC) have become popular in dental and medical applications for load-bearing applications. This is due to their enhanced biomechanical matching with living tissues compared to traditional materials, as well as additional biocompatible properties. Recently, it has been shown that FRC enhances gingival soft tissue integration. Besides, satisfactory results have been observed after undergoing five years of simulated oral fatigue on unidirectionally reinforced FRC abutments. These studies make FRC promising materials for implant abutment applications. Nonetheless, there is a lack of studies regarding bacterial adhesion of FRC when compared with those published on traditional implant abutment materials. Furthermore, the effect of different fiber orientation on the load-bearing capacity of FRC abutments has yet to be determined. Therefore, this work aimed to evaluate E-glass FRC in terms of biological and mechanical aspects in order to explore a new alternative metal-free abutment material. A further aim has been to develop a standard set of surface analysis methods. Surface topography characterization was performed by using atomic force microscopy and white light interferometry. Wettability was determined by using the sessile drop method. Additionally, a novel standard set of surface parameters to characterize biomaterial surfaces was proposed taking into account their correlation values and sensitivity in material discrimination (Study I). The attachment (bacterial adhesion) of Escherichia coli and Staphylococcus aureus was determined and discussed (Study II). Finally, the mechanical properties were assessed by three-point bending tests and the load-bearing capacity examined using static loading following ISO 10477 and ISO 14801 standards (Study III). The results of the FRC surface characterization showed that they exhibited rough surfaces with hydrophobic characteristics. This increased roughness enhanced the early bacterial adhesion on FRC surfaces nevertheless, on the later, mature biofilm compensated these differences. The following parameters were best in biomaterials discrimination: Sa, Sku, and Smid at the nanoscale, Sa and Sz at the microscale and one contact angle. Bidirectionally reinforced FRC rods showed a greater breakage capacity compared to unidireccional rods. Bidirectionally reinforced FRC abutments showed statistically higher load-bearing capacities compared to unidirectionally reinforced abutments. Hence, owing to its comparable bacterial response to current implant abutment materials in addition to the adequate mechanical properties of bidirectional FRC abutments, it can be concluded that FRC is a promising alternative material in implant prosthetic dentistry.

Los materiales compuestos de resina reforzados con fibras de vidrio E (FRC) están aumentando su uso en aplicaciones dentales y ortopédicas como materiales de soporte de carga. Esto es debido a que exhiben una mejor adaptación biomecánica con los tejidos vivos en comparación con los materiales tradicionales, así como por sus propiedades biocompatibles. Recientemente, se ha observado que mejora la formación del tejido gingival peri-implantario. Además, pilares de FRC reforzados unidireccionalmente han soportado satisfactoriamente 5 años de fatiga oral simulada. Estos estudios hacen que los FRC sean materiales prometedores para pilares de prótesis sobre implantes. Sin embargo, hay una falta de estudios que comparen la adhesión bacteriana de FRC a los materiales actuales para prótesis sobre implantes. Además, el efecto de la diferente orientación de las fibras en la capacidad de carga de los FRC como pilar implantario está aún por determinar. Por lo tanto, este estudio tuvo como objetivo evaluar los aspectos bacterianos y mecánicos de los FRC en con el fin de investigar un nuevo material alternativo libre de metal como pilar para prótesis sobre implante. La caracterización de la rugosidad superficial se realizó mediante microscopía de fuerza atómica e interferometría de luz blanca, y la humectabilidad se determinó utilizando el método de la gota sésil. Se analizaron los parámetros de superficie obtenidos en función de su eficacia en discriminar materiales y se propuso un conjunto de parámetros con el mayor poder discriminatorio (Estudio I). Posteriormente se cuantificó y analizó la adhesión bacteriana de Escherichia coli y Staphylococcus aureus (Estudio II). Por último, se evaluaron las propiedades mecánicas mediante ensayos de flexión de tres puntos y la capacidad de carga estática siguiendo las normas ISO 10477 e ISO 14801 respectivamente (Estudio III). Los resultados de la caracterización de superficie mostraron que los FRC presentan superficies rugosas con características hidrofóbicas. Esta rugosidad aumentó la adhesión bacteriana temprana aunque si nos atenemos al biofilm maduro no se observaron diferencias. Los parámetros Sa, Sku y Smid en la nanoescala, Sa y Sz en la microescala y un ángulo de contacto resultaron ser los más eficaces en la discriminación de biomateriales. Las barras reforzadas bidireccionalmente mostraron una mayor capacidad de fractura en comparación con las unidireccionales. Los pilares de FRC reforzados bidireccionalmente mostraron estadísticamente una mayor capacidad de carga en comparación con pilares reforzados unidireccionalmente. Por lo tanto, debido a su similar respuesta bacteriana con los actuales materiales así como de las adecuadas propiedades mecánicas de los pilares de FRC reforzados bidireccionalmente, se puede concluir que los FRC son materiales alternativos prometedores para su aplicación en prótesis sobre implante.