Effect of Manganese Oxide Nanozyme-doped diatom microbubbler on Candida albicans removal from denture base resin

Abstract

Purpose:. In order to prevent denture stomatitis caused by Candida, which is often observed in patients using dentures, it is very important to remove Candida biofilm from the denture. However, common denture cleaners are not effective enough to remove the biofilm formed by Candida. Manganese oxide (MnO2) nanozyme-doped diatom microbubbler (DM) can generate oxygen gas microbubbles by catalase-mimicking activity in hydrogen peroxide (H2O2) solution. In this way, DM can invade and destroy the biofilm by the driving force of the continuously generated microbubbles. Therefore, this study compares biofilm removal effect of DM on the denture resin surface with the existing denture cleaner as a method of cleaning dentures.

Materials and methods: Fine-sized diatom particles in the form of hollow cylinders doped with manganese dioxide nanosheets were fabricated. The shape and composition were analyzed using a scanning electron microscope (SEM). Acrylic resin specimens with a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm were subjected to cold curing (Vertex Self-Curing, Vertex Dental, Soesterberg, The Netherlands), heat curing (Meliodent Heat Cure, Heraeus Kulzer GmbH, Wehrheim, Germany), milling (Pink PMMA BLOCK, large Dental Material, Shanhai, China) and 3D-printing (Denture Plus ARUM 5.0, ARUM Dentistry, Daejeon, Korea) were prepared using four fabrication techniques. Biofilm was formed by culturing Candida albicans on the prepared specimen at 37 degrees Celsius for 24 hours. The 4 types of denture base resin specimens were divided into phosphate buffered saline group (PBS group), Polident group (brand name, Polident group), 0.12% chlorhexidine group (0.12% Chlorhexidine gluconate group), 3% hydrogen peroxide group (3% Hydrogen peroxide group) and DM group (DM and hydrogen peroxide). Treatment methods were determined by previous studies and manufacturer's guidelines. 10 minutes for Phosphate-buffered saline group (PBS group, Martínez-Serna et al. 2021), 5 minutes for Polident group (brand name, Polident group, GlaxoSmithKline, Philadelphia, PA, USA, manufacturer's instructions), 10 minutes for Chlorhexidine group (0.12% Chlorhexidine gluconate group, Martínez-Serna et al. 2021), 10 minutes for Hydrogen peroxide group (3% Hydrogen peroxide group, Martínez-Serna et al. 2021), and 5 minutes for DM group (DM and 3% hydrogen peroxide, Seo et al. 2018) were applied. The biofilm removal effect of each group was quantitatively analyzed by crystal violet assay and confirmed by scanning electron microscope (SEM) images. Viability was evaluated by observing the remaining Candida albicans after treatment with a confocal laser scanning microscope (CLSM). Data from crystal violet assay were analyzed by Kruskal-Wallis test followed by Dunn's multiple comparison test (α = 0.05).

Results: Although the biofilm was not effectively removed in the 5-minute Polident group (brand name, Polident group) and Chlorhexidine group, chlorhexidine was able to kill the C. albicans effectively. Hydrogen peroxide group was able to remove the biofilm of the heat cured and 3D printing resin. The DM group (DM and 3% hydrogen peroxide) was the only one that significantly removed Candida albicans from all types of resin samples. Simultaneous DM and hydrogen peroxide co-treatment is an effective method to remove Candida albicans biofilms from various denture base resin surfaces.

Conclusion:. The denture cleaning method using DM and hydrogen peroxide solution more effectively removed the Candida albicans biofilm on the denture base resin specimen compared to the existing chemical methods, and it could be an alternative that can solve the limitations of the existing denture cleaning method.

의치를 사용하는 환자에게서 많이 관찰되는 캔디다균에 의한 의치성 구내염을 예방하기 위해서는 의치에서 캔디다균막을 제거하는 것이 매우 중요하다. 그러나 일반적인 의치세정제는 칸디다균에 의해 형성된 생물 막을 제거하는 데에 충분한 효과를 나타내지 못한다. 최근 연구에 따르면, 산화망간 나노자임이 도핑된 규조류 미세 기포 발생자(Manganese Oxide Nanozyme-doped diatom microbubbler, DM)는 과산화수소 용액에서 촉매제 모방 활성에 의해 미세 산소 가스 기포를 생성하고, 지속적으로 생성되는 미세 기포의 추진력으로 생물막을 침범하고 파괴할 수 있다. 이에 본 연구에서는 의치 세정의 방법으로써 의치 레진상 표면에서DM의 생물막 제거 효과를 기존 의치세정제와 비교하고 새로운 의치세정제로서의 가능성을 평가하고자 한다. 이산화망간 나노시트가 도핑된 속이 빈 원통 형태의 미세한 크기의 규조류 입자를 제작하고, 주사전자현미경을 이용하여 형태와 성분을 분석하였다. 의치상 레진 시편을 직경 10mm, 두께 2mm의 원판 형태로 자가중합형, 열중합형, 밀링 및 3D-프린팅 레진을 이용하여 제작하고, 시편 표면은 임상에서의 의치상 내면과 유사하게 연마하지 않았다. 준비된 시편에 섭씨 37도, 24시간 동안 캔디다 균을 배양하여 생물막을 형성한 후, 인산완충식염수군(PBS group), 폴리덴트군(Polident group), 0.12% 클로로헥시딘군(0.12% Chlorohexidine gluconate group), 3% 과산화수소수군(3% Hydrogen peroxide group), DM군(DM & 3% Hydrogen peroxide group)으로 각각 선행 연구와 제조사의 지침에 의해 처리하였다. 각 군의 생물막 제거 효과는 Crystal violet assay로 정량 분석 하였으며, 주사전자현미경 영상으로 확인하였다. 캔디다균을 공초점 레이저 주사 현미경으로 관찰하여 생존력을 평가하였다. 95% 신뢰수준에서 Kruskal-Wallis 분석과 Dunn의 다중 비교 분석으로 통계처리 하였다. 폴리덴트군과 0.12% 클로로헥시딘군에서 생물막이 효과적으로 제거되지는 않았지만 클로로헥시딘은 캔디다균을 효과적으로 살균하였다. 3% 과산화수소수군은 열중합 및 3D 프린팅 레진 시편의 생물막을 제거할 수 있었다. DM군(DM과 3% 과산화수소수 처리)은 모든 유형의 레진 시편에서 캔디다균 생물막을 통계적으로 유의하게 제거하였다. DM과 과산화수소수를 이용한 의치 세척 방법은 기존 방법에 비해 의치상 레진 시편의 캔디다균 생물막을 더 효과적으로 제거하였고, 이는 기존의 의치세정제의 한계를 극복할 수 있는 대안이 될 수 있을 것이다.