Development of a drug delivery system based on bacterial nanocellulose for dentin regeneration

Abstract

O capeamento pulpar direto e indireto são estratégias essenciais para preservar a vitalidade pulpar em casos de cárie profunda ou exposição pulpar. Em situações que envolvem lesões cariosas profundas ou remoção excessiva do tecido cariado, resultando em exposição próxima ou direta da polpa, o capeamento pulpar direto ou indireto é indicado para manter a vitalidade pulpar. Os materiais mais comumente utilizados para esse fim, o hidróxido de cálcio (CaOH2) e o agregado trióxido mineral (MTA), apresentam limitações significativas que comprometem seus resultados clínicos: o CaOH2 devido à sua alta solubilidade, potencial para causar inflamação crônica da polpa e formação de pontes de dentina porosas; e o MTA devido à sua dificuldade de manuseio, tempo de presa prolongado, risco de descoloração dentária e alto custo. Considerando essas limitações, o presente estudo teve como objetivo desenvolver e avaliar uma membrana bioativa composta por nanocelulose bacteriana (BNC), carbonato de cálcio (CaCO3) obtido de conchas do molusco Perna perna e o medicamento Otosporin®, para ser utilizada como alternativa a esses materiais. O sistema foi caracterizado quanto às suas propriedades físico-químicas, atividade antimicrobiana contra Streptococcus mutans e Candida albicans, viabilidade celular (ensaio MTT) utilizando células-tronco da polpa dental humana (DPSCs) e diferenciação odontogênica (atividade da fosfatase alcalina avaliada por coloração com Alizarina Red S - ARS). Os resultados mostraram que o CaCO3 contribuiu para a mineralização mesmo em baixas concentrações (6,25 µg/mL), destacando seu potencial bioativo. Além disso, apresentou tamanho de partícula irregular, porém com características compatíveis com a calcita, seu polimorfo mais estável. Formulações contendo Otosporin® promoveram liberação gradual do fármaco e atividade antimicrobiana significativa em ensaios de difusão, embora com eficácia limitada contra biofilmes estruturados. No entanto, as formulações contendo o fármaco reduziram a viabilidade celular em mais de 50%. Em conclusão, embora a combinação de BNC, CaCO3 e Otosporin® apresente potencial promissor para o capeamento pulpar direto, são necessárias otimizações adicionais para garantir total biocompatibilidade e eficácia antimicrobiana em cenários clínicos complexos.

Abstract: Direct and indirect pulp capping are essential strategies for preserving pulp vitality in cases of deep caries or pulp exposure. In situations involving deep carious lesions or excessive removal of carious tissue resulting in near or direct exposure of the pulp, direct or indirect pulp capping is indicated to maintain pulp vitality. The most commonly used materials for this purpose, calcium hydroxide (CaOH2) and mineral trioxide aggregate (MTA), present significant limitations that compromise their clinical outcomes: CaOH2 due to its high solubility, potential to cause chronic pulp inflammation, and the formation of porous dentin bridges; and MTA due to its handling difficulty, prolonged setting time, risk of tooth discoloration, and high cost. Considering these limitations, the present study aimed to develop and evaluate a bioactive membrane composed of bacterial nanocellulose (BNC), calcium carbonate (CaCO3) obtained from Perna perna mollusk shells, and the drug Otosporin®, to be used as an alternative to these materials. The system was characterized in terms of its physicochemical properties, antimicrobial activity against S. mutans and C. albicans, cell viability (MTT assay) using human dental pulp stem cells (DPSCs), and odontogenic differentiation (alkaline phosphatase activity assessed by Alizarin Red S (ARS) staining). The results showed that CaCO3 contributed to mineralization even at low concentrations (6.25 µg/mL), highlighting its bioactive potential. Moreover, it presented irregular particle size but with features consistent with calcite, its most stable polymorph. Formulations containing Otosporin® promoted gradual drug release and significant antimicrobial activity in diffusion assays, though limited efficacy against structured biofilms. However, the drug-containing formulations reduced cell viability by over 50%. In conclusion, although the combination of BNC, CaCO3, and Otosporin® shows promising potential for direct pulp capping, further optimization is needed to ensure full biocompatibility and antimicrobial effectiveness in complex clinical scenarios.