Biocompatibilidad de Materiales Dentales Nano-Vidrio/Zirconia Graduados Tras Envejecimiento

Resumen

Se creó un sistema graduado nano-vidrio/zirconia (G/Z) infiltrando nano-vidrio en una superficie de nano-zirconia, mejorando la resistencia de unión núcleo-vestibulador. El envejecimiento es una preocupación crítica para policristales de zirconia tetragonal estabilizada con itrio (Y-TZP), por lo que es esencial evaluar cómo el envejecimiento afecta la biocompatibilidad de sistemas G/Z antes del uso clínico. Fibroblastos gingivales humanos (HGFs) se sembraron en especímenes G/Z y Y-TZP sin envejecer y envejecidos durante 2-72 h. Las pruebas incluyeron irritación de mucosa oral, viabilidad celular, adhesión y estrés oxidativo. La actividad metabólica disminuyó significativamente en G/Z envejecido y Y-TZP a 72 h (P < 0.00001). No se observó diferencia significativa en viabilidad entre G/Z y Y-TZP en ningún punto temporal, antes o después del envejecimiento. La producción de ROS aumentó a 72 h para G/Z envejecido y Y-TZP, pero las diferencias no fueron significativas (P > 0.05). Las tasas de adhesión aumentaron tras el envejecimiento para ambos materiales, aunque G/Z y Y-TZP mostraron adhesión comparable (P > 0.05). Las puntuaciones de irritación macroscópica y microscópica para G/Z envejecido y sin envejecer fueron 0, indicando ausencia de irritación.

Conclusiones

El sistema G/Z demuestra excelente biocompatibilidad y es prometedor para futuras aplicaciones clínicas.

Antecedentes

Las cerámicas dentales de zirconia, particularmente policristales de zirconia tetragonal estabilizada con 3 mol% itrio (3Y-TZP), son valoradas por su alta resistencia y tenacidad a la fractura gracias a mecanismos de endurecimiento por transformación, siendo comunes en dispositivos protésicos [1]. Sin embargo, la porcelana de recubrimiento aplicada a núcleos de zirconia a menudo falla por astillado o deslaminación, principalmente debido a coeficientes de expansión térmica y módulos elásticos incompatibles entre núcleo y recubrimiento [2-4]. Para abordar esto, introdujimos previamente un sistema graduado nano-vidrio/zirconia (G/Z) que infiltra nano-vidrio de bajo módulo en una superficie de nano-zirconia sinterizada, logrando resistencias de unión tres veces mayores que sistemas convencionales [4].

El envejecimiento de Y-TZP —desencadenado por humedad, carga mecánica y baja temperatura— induce rugosidad superficial, microgrietas y transformación de fase tetragonal-a-monoclínica (t-m), lo que puede comprometer propiedades mecánicas [5-9]. Dado que la química y rugosidad superficial influyen en la biocompatibilidad, es crucial evaluar cómo el envejecimiento afecta la interacción del sistema G/Z con tejidos biológicos.

Trabajos previos de Zhang et al. demostraron ventajas mecánicas de un compuesto zirconia-vidrio infiltrado [10, 11], pero la biocompatibilidad de este compuesto graduado, especialmente tras envejecimiento, permanece desconocida. Este estudio cubre ese vacío comparando G/Z con Y-TZP clínicamente aceptado, evaluando viabilidad celular, morfología, adhesión, estrés oxidativo e irritación mucosal antes y después del envejecimiento.

Métodos

Preparación de Especímenes

Especímenes Y-TZP, aprobados para uso clínico, sirvieron como control. Todas las muestras fueron placas uniformes (1.5 × 1.5 × 0.2 cm) según estándares ISO 13356 para barras de flexión con superficies pulidas.

Preparación de Especímenes G/Z

Polvos de vidrio se molieron a tamaño nanométrico usando molino Emax. La composición del vidrio infiltrante se detalla en Tabla 1 [4]. Polvos de zirconia-itria (5.18% peso Y₂O₃, grado TZ-3Y-E, Tosoh) se prensaron uni-axialmente a 150 MPa por 2 min, sinterizaron parcialmente a 1350 °C por 2 h, y molieron a 200 malla. Especímenes sustrato se pre-sinterizaron a 1200 °C por 2 h para formar red porosa. Leches de vidrio fundido se aplicaron en la superficie superior e infiltraron a 1350 °C por 2 h, logrando simultáneamente infiltración y densificación.

Preparación de Especímenes Y-TZP

Blanks Y-TZP se fresaron y sinterizaron a densidad total usando sistema CAD/CAM (Zenostar, Weiland Dental).

Cultivo Celular

HGFs se cultivaron en DMEM/F-12 suplementado con 10% suero fetal bovino, 1% penicilina/estreptomicina, 1% L-glutamina y 1% aminoácidos no esenciales a 37 °C, 5% CO₂. Medios se renovaron cada 3 días. Células se desprendieron con PBS y tripsina-EDTA, luego se sembraron en cada sustrato a 1 × 10⁵ células/mL para todos los ensayos.

Envejecimiento

Envejecimiento mecánico simuló condiciones de masticación: especímenes se colocaron en saliva artificial a 37 °C, sometidos a carga de flexión a tres puntos de 80 N a 2 Hz por 10⁵ ciclos, siguiendo protocolos [12, 13].

Viabilidad Celular

Viabilidad se evaluó a 2, 24, 48 y 72 h usando ensayo alamarBlue® (10% en DMEM). Tras incubación, se añadieron 500 µL de colorante, incubado 4 h, y fluorescencia medida (excitación 530 nm, emisión 580 nm) en espectrofotómetro Synergy™ H4 (BioTek). Experimentos en triplicado en tres series. Viabilidad (%) = (absorbancia pozos tratados) / (absorbancia pozos control).

Estrés Oxidativo

Niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS) se cuantificaron mediante quimioluminiscencia usando kit Reactive Oxygen Species Assay (Nanjing Jiancheng Bioengineering Institute).

Adhesión Celular

HGFs se cultivaron 2 h en superficies de especímenes pre- y post-envejecimiento. Tras fijación, núcleos se tiñeron con DAPI (Yeasen), e imágenes se capturaron con microscopio de fluorescencia invertido Carl Zeiss LSM 510. Tasas de adhesión = células adheridas / células sembradas totales en cinco campos aleatorios 450 µm × 450 µm a aumento ×200.

Morfología Celular

Tras 2 h incubación, células en superficies G/Z se fijaron y tiñeron para F-actina con faloidina rodamina (1:100 en 3% BSA). Imágenes con Zeiss LSM 510. Morfología también examinada por SEM (Philips XL-30 ESEM). Muestras montadas en cubreobjetos y contra-tiñidas con DAPI.

Prueba de Irritación de Mucosa Oral

Diez ratones Wistar machos recibieron G/Z envejecido en una bolsa yugal y G/Z sin envejecer en la contralateral, según estándares YY/T 0127.13-2009. Tras 2 semanas, bolsas se inspeccionaron macroscópicamente, y mucosa yugal se examinó histológicamente vía tinción H&E. Índices de irritación calculados restando puntuaciones control de puntuaciones prueba.

Análisis Estadísticos

ANOVA unidireccional (SPSS 22.0) evaluó datos agrupados para viabilidad, estrés oxidativo y adhesión. Significancia en P < 0.05.

Resultados

Estructura de Capa Graduada

El espesor de capa graduada promedió 0.9-1.0 mm. Imágenes SEM (Fig. 1a, b) revelan superficie compuesta de vidrio residual, granos de zirconia recubiertos de vidrio y vacíos intergranulares —rasgos que facilitan fuerte adhesión núcleo-recubrimiento. Mapeo EDS (Fig. 1c) muestra gradiente: concentración Zr aumenta hacia el interior, mientras Si, Al y La disminuyen, confirmando gradiente composicional intencionado [4].

Viabilidad Celular

La actividad metabólica disminuyó significativamente en G/Z envejecido y Y-TZP a 72 h (P < 0.00001) (Fig. 2a). No se observó caída significativa a 2, 24 u 48 h para ningún material. La viabilidad de G/Z y Y-TZP no difería en ningún punto temporal, pre- o post-envejecimiento (P > 0.05). Datos resumidos en Figura 2a.

Estrés Oxidativo

G/Z envejecido y Y-TZP mostraron aumento significativo de ROS a 72 h (P < 0.00001). No hubo diferencias significativas en puntos temporales anteriores (P > 0.05). G/Z y Y-TZP produjeron niveles ROS comparables durante todo el estudio, antes y después del envejecimiento (P > 0.05).

Adhesión Celular

Las tasas de adhesión aumentaron para ambos G/Z y Y-TZP tras envejecimiento (Fig. 2c). No existió diferencia significativa entre los dos materiales pre- o post-envejecimiento (P > 0.05). Imágenes representativas de adhesión celular en Y-TZP y G/Z antes y después del envejecimiento en Figura 3.

Morfología Celular

Imágenes de fluorescencia revelaron que células se adhirieron a G/Z envejecido y sin envejecer, con mayor extensión y aplanamiento en superficies envejecidas (Fig. 4a-c). SEM confirmó células bien extendidas, poligonales con microvellosidades extensas en ambas superficies (Fig. 5a, b).

Prueba de Irritación de Mucosa Oral

Tanto puntuaciones macroscópicas como microscópicas de irritación fueron 0 para G/Z envejecido y sin envejecer, indicando ausencia de irritación. Histopatología confirmó ausencia de cambios mucosales (Fig. 6a, b).

Discusión

Las aleaciones metal-cerámica han cedido paso a alternativas sin metal por preocupaciones sobre liberación de iones metálicos [14-18]. Mientras mucha investigación se centra en mejoras cerámicas, el sistema G/Z ofrece ruta prometedora para mejorar el rendimiento de zirconia sin añadir componentes metálicos. Este estudio demuestra que G/Z mantiene biocompatibilidad comparable a Y-TZP, incluso tras envejecimiento, que simula condiciones orales realistas.

El envejecimiento redujo proliferación celular a 72 h para ambos materiales, alineándose con literatura que reporta biocompatibilidad reducida post-envejecimiento [20] y contrastando otras que notan mejora [21]. Variaciones probablemente provienen de protocolos de envejecimiento diferentes. Nuestro protocolo —carga 80 N, 2 Hz, 10⁵ ciclos en saliva artificial a 37 °C— refleja fuerzas de mordida y temperatura clínicas, proporcionando evaluación realista de efectos del envejecimiento [22].

El declive observado en viabilidad y aumento en ROS puede reflejar difusión iónica y estrés local de transformación t-m, que pueden comprometer integridad celular [6, 23].

Interesantemente, el envejecimiento aumentó adhesión para ambos G/Z y Y-TZP sin alterar tasas relativas. Las superficies rugosas e hidrofílicas post-envejecimiento probablemente mejoran adsorción de proteínas, fomentando mejor adhesión celular [27-29]. La adhesión comparable sugiere que propiedades superficiales de G/Z permanecen favorables tras envejecimiento.

Pruebas de irritación in vivo revelaron ausencia de cambios histopatológicos, apoyando seguridad de G/Z para contacto mucosal. La modesta cantidad de fase monoclínica introducida durante infiltración probablemente preserva integridad mecánica manteniendo biocompatibilidad, como se mostró en trabajos previos sobre Y-TZP infiltrada con Al₂O₃ [30].

Otros compuestos vidrio-zirconia han mostrado buena biocompatibilidad y bioactividad in vitro e in vivo [31-33]. Nuestros hallazgos extienden esta evidencia al sistema graduado nano-vidrio/zirconia, ofreciendo material que equilibra resistencia mecánica, estética y seguridad biológica.

Conclusiones

Evaluaciones de biocompatibilidad —incluyendo viabilidad celular, adhesión, morfología, estrés oxidativo e irritación mucosal— demuestran que G/Z rinde a la par de Y-TZP antes y después del envejecimiento. Estos resultados posicionan G/Z como candidato prometedor para prótesis dentales. Se justifican estudios in vitro e in vivo más exhaustivos para confirmar estos hallazgos preliminares.

Abreviaturas

DAPI:

4′,6-Diamidino-2-fenilindol dihidrocloruro

F-actina:

Actina filamentosa

FGM:

HAp-Al₂O₃-ZrO₂

G/Z:

Nano-vidrio/zirconia graduado (Graded nano-glass/zirconia)

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

t-m:

Tetragonal a monoclínico

Y-TZP:

Policristal de zirconia tetragonal estabilizada con itrio (Yttrium-stabilized tetragonal zirconia polycrystal)