The bactericidal effect of an atmospheric-pressure plasma jet on Porphyromonas gingivalis biofilms on sandblasted and acid-etched titanium discs

Abstract

Direct application of atmospheric-pressure plasma jets (APPJs) has been established as an effective method of microbial decontamination. This study aimed to investigate the bactericidal effect of direct application of an APPJ using helium gas (He-APPJ) on Porphyromonas gingivalis biofilms on sandblasted and acid-etched (SLA) titanium discs.

On the SLA discs covered by P. gingivalis biofilms, an He-APPJ was applied at 3 or 5 minutes. To evaluate the effect of the plasma itself, the He gas without plasma generation was also applied at 3 or 5 minutes and untreated discs were used as the control group. The bactericidal effect of the He-APPJ was determined by the number of colony-forming units. Bacterial viability was observed by confocal laser scanning microscopy (CLSM), and bacterial morphology was examined by scanning electron microscopy (SEM).

As the plasma treatment time increased, the amount of P. gingivalis decreased, and the difference was statistically significant. In the SEM images, compared to the control group, the bacterial biofilm structure on SLA discs treated by the He-APPJ for more than 3 minutes was destroyed. The CLSM images also showed consistent results with the results of cell assay and SEM. Even in sites distant from the area of direct He-APPJ exposure, decontamination effects were observed in both SEM and CLSM images.

He-APPJ application was effective in removing P. gingivalis biofilm on SLA titanium discs in an in vitro experiment.

Atmospheric-pressure plasma jet (APPJ)를 세균에 직접 처치하는 것이 세균의 멸균에 효과적인 방법이라는 것은 이미 많은 연구를 통해 알려진 사실이다. 이번 연구는 Sandblasting 후 산부식 처리한 (sandblasted and acid-etched; SLA) 티타늄 디스크 위에 형성된 Porphyromonas gingivalis (P. gingivalis) 바이오필름에 헬륨 가스를 이용한 APPJ (He-APPJ)를 직접 적용하여 그 살균 효과를 연구하고자 하였다.

P. gingivalis 바이오필름으로 덮인 SLA 티타늄 디스크 표면에 He-APPJ를 3, 5분간 적용한 군, 플라즈마 자체의 효과를 평가하기 위해 플라스마 없이 헬륨 가스만 동일 시간 적용한 군을 실험군으로, 아무 처치도 하지 않은 군을 대조군으로 하였다. He-APPJ의 살균 효과는 집락 형성 단위 (colony forming units)의 수로 판단하였다. 세균 생존력(viability)은 공초점 레이저 주사 현미경 (confocal laser scanning microscopy :CLSM)으로, 세균의 형태 변화는 주사 전자 현미경 (scanning electron microscopy :SEM)으로 관찰하였다.

실험 결과 플라즈마 적용 시간이 길어질수록 P. gingivalis의 수는 감소하였고, 그 차이는 통계적으로 유의하였다. SEM 영상을 통해서 관찰한 결과 He-APPJ로 3분 이상 치료했을 경우 SLA 티타늄 디스크의 세균 바이오필름 구조가 대조군과 비교했을 때 유의미하게 파괴된 것으로 관찰되었고, CLSM 영상도 집락 형성 단위의 수, SEM과 일치된 결과를 보여주었다. He-APPJ가 직접적으로 노출된 부위로부터 떨어진 영역에서도 SEM 영상과 CLSM 영상 모두에서 살균 효과가 관찰되었다.

결론적으로, 이번 연구에서 시험관 (in vitro) 실험 하에서 He-APPJ가 SLA 티타늄 디스크 위에 형성된 P. gingivalis 바이오필름을 제거하는 데 효과적인 방법임을 입증하였다.