Insights on the Biodegradation of Acrylic Reline Resins

243 Pages·2012·4.48 MB·English

Universidade de Lisboa
Faculdade de Medicina Dentária

Insights on the Biodegradation of
Acrylic Reline Resins

Maria Cristina Bettencourt Neves

Doutoramento em Medicina Dentária
Especialidade de Reabilitação Oral

2012
Universidade de Lisboa
Faculdade de Medicina Dentária

Insights on the Biodegradation of
Acrylic Reline Resins

Maria Cristina Bettencourt Neves

Tese orientada pelo Professor Doutor Luís Pires Lopes e pela
Professora Doutora Ana Bettencourt,
especialmente elaborada para obtenção do grau de Doutor em
Medicina Dentária, especialidade de Reabilitação Oral

2012
Table of Contents

Table of Contents

Prefácio……………………………………………………………………………………….... v
Agradecimentos……………………………………………………………………………….. vii
Resumo………………………………………………………………………………………… xi
Abstract………………………………………………………………………………………... xv
List of publications and communications……………………………………………………. xix
Objectives and Structure of the Thesis………………………………………………………. xxiii

Chapter 1 – General Introduction……………………………………………………..…. 1
1.1. Relining procedures………………………………………………………………………. 3
1.2. Acrylic reline resins………………………………………………………………………. 5
1.3. Biodegradation of acrylic reline resins………………………………………………….. 9
1.3.1. Causes for biodegradation…………………………………………...…………. 10
1.3.1.1. Saliva components……………………...………………………………. 11
1.3.1.2. Chewing force……………………………………………………...….... 12
1.3.1.3. Thermal and chemical dietary changes………………...……………..... 13
1.3.2. Consequences of biodegradation…………...…………………………………... 13
1.3.2.1. Release of compounds from acrylic based resins………...……………. 14
Biological effects of release………………………………………... 17
1.3.2.2. Changes on the physical and mechanical properties………………...…. 19
Inner properties of acrylic based resins…………………………......
20
Bond strength between denture base and reline resins……………... 22
1.4. Treatments for reducing residual monomer of acrylic reline resins…………………... 24

Chapter 2 – Effect of Salivary Acetylcholinesterase on the Degradation of
27
Acrylic Reline Resins……………………………………………...………..
2.1. Introduction……………………………………………………………………………….. 29
2.2. Materials and Methods………………………………………………………………...…. 34
2.2.1. Chemicals………………………………………………….…………………… 34
2.2.2. Preparation of the specimens……………………………………………….…... 34
2.2.3. Enzyme preparation and activity assay……………………………………….... 36
2.2.4. Enzyme catalyzed hydrolysis of MMA, IBMA and HDMA monomers……….. 37
2.2.5. Biodegradation Experiments…………………….……………………………... 37
i
Insights on the Oral Biodegradation of Acrylic Reline Resins
2.2.5.1. Immediate exposure…………………………………………………….. 38
2.2.5.2. Exposure after aqueous environment aging…………………………….. 39
2.2.5.3. Exposure after thermocycling aging……………………………………. 40
2.2.6. Quantification of released biodegradation compounds using high-performance
liquid chromatography (HPLC)………………………………………………..
42
2.2.7. High-performance liquid chromatography-Mass spectrometry (HPLC-MS)
analysis of released biodegradation compounds……………............................. 43
2.2.8. Statistical analysis…………………………………………………………….... 44

2.3. Results……………………………………………………………………………………... 45
2.3.1. Acetylcholinesterase activity…………………………………………...………. 45
2.3.2. Calibration curves of MMA, IBMA, HDMA and MA by HPLC……………… 45
2.3.3. Enzymatic hydrolysis of MMA, IBMA and HDMA by AChE………………… 48
2.3.4. Identification of the release compounds………………………………………... 51
2.3.5. Quantification of the released compounds on biodegradation experiments…... 53
2.3.5.1. Immediate exposure…………………………………………...………... 53
2.3.5.2. Aqueous environment aging………………………...………………….. 56
2.3.5.3. Thermocycling aging……………………………………………...……. 58
2.3.6. High-performance liquid chromatography-Mass spectrometry (HPLC-MS)
analysis of the biodegradation eluates……………………….………………..… 60

2.4. Discussion…………………………………………………………………………………. 64
2.4.1. Hydrolysis of MMA, IBMA and HDMA by AChE…………………………… 65
2.4.2. Biodegradation experiments……………………………………………………. 67
2.4.2.1. Immediate exposure………………………………………...……...…… 67
2.4.2.2. Incubation after aqueous environment aging…………………...……... 71
2.4.2.3. Incubation after thermocycling aging………………….….…….……… 73
2.5. Conclusions……………………………………………………………..…………………. 76

Chapter 3 – Effect of Salivary Acetylcholinesterase on the Cytotoxicity of
77
Acrylic Reline Resins…………………………………………….....…
3.1. Introduction………………………………………...……………………………………... 79
3.2. Materials and Methods…………………………………………………………………… 83
3.2.1. Chemicals………………………………………………………………………. 83
3.2.2. Cell culture……………………..………………………………………………. 83
3.2.3. Preparation of the test specimens..……………………………………………... 87
3.2.4. Preparation of the test eluates…………………………………………………... 88
3.2.5. Preparation of the test compounds solutions….……………………………....... 91
ii
Table of Contents

3.2.6. Cytotoxicity assay………………………………………………………………. 91
3.2.7. Statistical analysis………………………………………………………………. 94
3.3. Results……………………………………………………………………………………... 95
3.3.1. Cytotoxicity of the eluates……………………………………………………… 95
3.3.2. Cytotoxicity of the IBMA, MMA, HDMA and MA compounds……………... 98
3.4. Discussion…………………………………………………………………………………. 102
3.5. Conclusions………………………………………………………………………………... 110

Chapter 4- Ethanol Solutions as Post-Polymerization Treatment of Acrylic
111
Reline Resins…………………………………………………………………..
4.1. Introduction………………………………………………………………………………. 113
4.2. Materials and Methods…………………………………………………………………... 116
4.2.1 Determination of RM content…………………………………………………... 116
4.2.2. Mechanical tests………...……………………………………………………… 119
4.2.2.1. Vickers microhardness test……………………………………………... 121
4.2.2.2. Flexural strength test……………………………………………………. 122
4.2.3. Determination of degree of conversion………...………………………………. 123
4.3. Results……………………………………………………………………………………... 126
4.3.1. RM content…………………………………………………………………....... 126
4.3.2. Microhardness………………………………………………………………….. 127
4.3.3. Flexural strength……………………………………………………………….. 128
4.3.4. Degree of conversion…………………………………………………………… 129
4.4. Discussion…………………………………………………………………………………. 130
4.5. Conclusions………………………………………………………………………………... 138

Chapter 5 - Concluding remarks and future prospects................................................ 139
5.1. Concluding remarks……………………………………………………………………… 141
5.2. Future prospects………………………………………………………………………….. 146

References…………………………………………………………………………...... 149

Appendix…………………………………………………………………………….... 177
List of Figures…………………………………………………………………………………... 177
List of Tables…………………………………………………………………………………… 183
List of Abbreviations…………………………………………………………………………… 185
Experimental data………………………………………………………………………………. 187
iii
Insights on the Oral Biodegradation of Acrylic Reline Resins
Calibration curves…………………………………………………………………….. 187
Biodegradation study…………………………………………………………………. 188
Cytotoxicity of the eluates……………………………………………………………. 192
Citotoxicity of the test compounds…………………………………………………… 199
Flexural strength and Hardness of Kooliner specimens……………………………… 205
Flexural strength and Hardness of Ufi Gel Hard specimens…………………………. 212
iv
Prefácio

Prefácio
A presente dissertação tem por objetivo a avaliação “in vitro” da
biodegradação de resinas acrílicas de rebasamento utilizadas em próteses
dentárias removíveis, provocada pela acetilcolinesterase salivar. Para atingir este
objetivo, foram realizados estudos experimentais com objetivos específicos: a) a
caracterização da atividade enzimática da acetilcolinesterase na presença dos
monómeros residuais característicos deste tipo de resinas, b) a avaliação do efeito
da acetilcolinesterase na cinética de libertação de monómeros residuais e de um
dos seus produtos de hidrólise de resinas acrílicas de rebasamento e c) a
avaliação do efeito biológico dos compostos libertados pelas resinas acrílicas sob
ação da acetilcolinesterase.
Este trabalho inclui ainda outro objetivo que visa a avaliação “in vitro” de
um tratamento pós-polimerização baseado em soluções de etanol, testado em
resinas acrílicas de rebasamento duro de aplicação direta na cavidade oral. Para
atingir este objetivo, foram realizados estudos experimentais com os seguintes
objetivos específicos: a) a determinação do teor de monómero residual das
resinas acrílicas após o tratamento, b) a caracterização das propriedades
mecânicas das resinas acrílicas após o tratamento e c) a avaliação do grau de
conversão das resinas acrílicas antes e após o tratamento proposto.
A quantificação dos monómeros residuais e de um dos produtos de
hidrólise foi necessária para: a) a caracterização da atividade enzimática da
acetilcolinesterase, b) a avaliação da cinética de libertação de compostos de
resinas acrílicas e c) a determinação do teor de monómero residual das resinas
acrílicas de rebasamento direto e foi executada através de cromatografia líquida
de alta eficiência. A avaliação do efeito biológico dos extratos das resinas
acrílicas foi realizada através de estudos de citotoxicidade. Estes estudos foram
realizados nos laboratórios do “Chemical Biology and Toxicology Group” do
“Research Institute for Medicines and Pharmaceutical Sciences - iMed.UL” da
Faculdade de Farmácia da Universidade de Lisboa.
v
Insights on the Oral Biodegradation of Acrylic Reline Resins
A confirmação da presença e quantificação dos compostos referidos e a
pesquisa de novos compostos de degradação foram realizadas através de
espectrometria de massa associada a cromatografia líquida de alta eficiência, no
Laboratório de Cromatografia Líquida e Espectrometria de Massa da Faculdade
de Farmácia da Universidade de Lisboa.
A caracterização das propriedades mecânicas das resinas de rebasamento
direto foi realizada através de estudos de microdureza e de resistência à flexão,
efectuados no laboratório de Biomateriais da Unidade de Investigação em
Ciências Orais e Biomédicas (UICOB), da Faculdade de Medicina Dentária da
Universidade de Lisboa.
A avaliação do grau de conversão das resinas acrílicas de rebasamento
direto foi realizada através de espectroscopia de infravermelho com transformada
de Fourier, efectuada no laboratório do Instituto de Ciência e Engenharia de
Materiais e Superfícies (ICEMS), do Instituto Superior Técnico da Universidade
Técnica de Lisboa.

vi
Agradecimentos

Agradecimentos
A realização deste trabalho resulta da colaboração de várias pessoas a
quem gostaria de dirigir os meus sinceros agradecimentos.
Ao Professor Doutor Luís Pires Lopes, Professor Catedrático e Regente de
Prostodontia Removível da Faculdade de Medicina Dentária da Universidade de
Lisboa, pela sugestão, pela motivação e pela orientação deste trabalho. Para a sua
valorização muito contribuíram a confiança em mim depositada ao integrar-me
nas actividades de investigação em colaboração com a Faculdade de Farmácia da
Universidade de Lisboa. A sua disponibilidade, o seu incentivo e as suas
sugestões muito contribuíram para a elaboração do presente trabalho, para além
do facto de me ter transmitido conhecimentos pedagógicos e científicos de maior
valia para a actividade docente que exerço nas disciplinas que rege.
À Professora Doutora Ana Francisca Bettencourt, Professora Auxiliar de
Biomateriais e Química-Física da Faculdade de Farmácia da Universidade de
Lisboa, pelos ensinamentos e acompanhamento na concretização de grande parte
do trabalho experimental, além do constante incentivo à concretização de todas
as fases do presente trabalho, do qual é orientadora. Por ser um verdadeiro
exemplo de trabalho, dedicação e perseverança, aliada a uma permanente
disponibilidade para as todas as dúvidas que foram surgindo e,
fundamentalmente, por ser um raro exemplo da conjugação de excelentes
qualidades humanas como a sensibilidade, a compreensão e a grande amizade
com que me distinguiu, factos que geram a expressão do meu verdadeiro
reconhecimento.
Ao Professor Doutor Mário Filipe Bernardo, Professor Agregado e
Presidente do Conselho Científico da Faculdade de Medicina Dentária de Lisboa,
pelos conselhos imprescindíveis para a execução deste trabalho e pelo incentivo e
disponibilidade sempre demonstradas.
vii
Insights on the Oral Biodegradation of Acrylic Reline Resins
Ao Professor Doutor João Aquino Marques, Professor Catedrático e
Presidente do Conselho Directivo da Faculdade de Medicina Dentária de Lisboa,
agradeço respeitosamente o facto de ter permitido a minha presença no curso de
doutoramento concomitantemente com a actividade docente.
À Professora Doutora Matilde Castro, Professora Catedrática e Presidente
do Conselho Científico da Faculdade de Farmácia da Universidade de Lisboa,
por ter facilitado a minha integração no grupo de investigação “Chemical
Biology and Toxicology” do qual é responsável, pela confiança em mim
depositada e pelos seus sábios conselhos de grande rigor científico e
metodológico, que muito contribuíram para a realização deste trabalho. Agradeço
toda a disponibilidade e apoio, munidos de grande simpatia e genuíno interesse,
contributos inigualáveis para a concretização deste trabalho.
Ao Professor Doutor Luís Santos, Professor Auxiliar do Departamento de
Engenharia Química e Biológica do Instituto Superior Técnico, pela sua ajuda
imprescindível na elaboração e interpretação dos resultados de espectroscopia de
infra vermelhos e pelo apoio, cuidado e interesse demonstrado.
A toda a equipa do grupo de investigação do “Chemical Biology and
Toxicology Group” do Imed.UL da Faculdade de Farmácia da Universidade de
Lisboa, por me ter recebido com toda a disponibilidade e simpatia. Em especial
ao Professor Doutor Nuno Oliveira, pelo seu crescente interesse por este
trabalho, pelo seu apoio e perspicazes apreciações de grande rigor metodológico
sobre o protocolo experimental dos estudos de cinética e de viabilidade celular. À
Doutora Joana Miranda pela disponibilidade, interesse e experiência
demonstradas na valiosa ajuda nos estudos de viabilidade celular. Aos meus
colegas de trabalho laboratorial Ana Matos, Elysse Filipe, Patrícia Guerreiro e
Sandrine Gonçalves pela ajuda, disponibilidade, apoio e amizade que
demostraram durante todo o meu tempo de permanência nos laboratórios. Às
Professoras Doutoras Fátima Cabral e Judite Costa pela simpatia e apoio
demonstrados.
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