Oral Actinomyces Species in Health and Disease: Identification, Occurence and Importance of Early Colonization

The genus Actinomyces consists of a heterogeneous group of gram-positive, mainly facultatively anaerobic or microaerobic rods showing various degrees of branching. In the oral cavity, streptococci and Actinomyces form a fundamental component of the indigenous microbiota, being among initial colonizers in polymicrobial biofilms. The significance of the genus Actinomyces is based on the capability of species to adhere to surfaces such as on teeth and to co-aggregate with other bacteria. Identification of Actinomyces species has mainly been based on only a few biochemical characteristics, such as pigmentation and catalase production, or on the use of a single commercial kit. The limited identification of oral Actinomyces isolates to species level has hampered knowledge of their role both in health and disease. In recent years, Actinomyces and related organisms have attracted the attention of clinical microbiologists because of a growing awareness of their presence in clinical specimens and their association with disease. This series of studies aimed to amplify the identification methods for Actinomyces species. With the newly developed identification scheme, the age-related occurrence of Actinomyces in healthy mouths of infants and their distribution in failed dental implants was investigated. Adhesion of Actinomyces species to titanium surfaces processed in various ways was studied in vitro. The results of phenotypic identification methods indicated a relatively low applicability of commercially available test kits for reliable identification within the genus Actinomyces. However, in the study of conventional phenotypic methods, it was possible to develop an identification scheme that resulted in accurate differentiation of Actinomyces and closely related species, using various different test methods. Genotypic methods based on 16S rRNA sequence analysis of Actinomyces proved to be a useful method for genus level identification and further clarified the species level identification with phenotypic methods. The results of the study of infants showed that the isolation frequency of salivary Actinomyces species increased according to age: thirty-one percent of the infants at 2 months but 97% at 2 years of age were positive for Actinomyces. A. odontolyticus was the most prominent Actinomyces colonizer during the study period followed in frequency by A. naeslundii and A. viscosus. In the study of explanted dental implants, Actinomyces was the most prevalent bacterial genus, colonizing 94% of the fixtures. Also in the implants A. odontolyticus was revealed as the most common Actinomyces species. It was present in 84% of Actinomyces -positive fixtures followed in frequency by A. naeslundii, A. viscosus and A. israelii. In an in vitro study of titanium surfaces, different Actinomyces species showed variation regarding their adhesion to titanium. Surface roughness as well as albumin coating of titanium had significant effects on adhesion. The use of improved phenotypic and molecular diagnostic methods increased the accuracy of the identification of the Actinomyces to species level. This facilitated an investigation of their occurrence and distribution in oral specimens in both health and disease.

Novel surgical and imaging methods of the middle ear and temporal bone

Välikorvaleikkauksiin usein liittyvän välikorvan ja kuuloluuketjun kirurgisen rekonstruktion tavoitteena on luoda olosuhteet, jotka mahdollistavat hyvän kuulon sekä välikorvan säilymisen tulehduksettomana ja ilmapitoisena. Välikorvan rekonstruktiossa on käytetty implanttimateriaaleina perinteisesti potilaan omia kudoksia sekä tarvittaessa erilaisia hajoamattomia biomateriaaleja, mm. titaania ja silikonia. Ongelmana biomateriaalien käytössä voi olla bakteerien adherenssi eli tarttuminen vieraan materiaalin pintaan, mikä saattaa johtaa biofilmin muodostumiseen. Tämä voi aiheuttaa kroonisen, huonosti antibiootteihin reagoivan infektion kudoksessa, mikä usein käytännössä johtaa uusintaleikkaukseen ja implantin poistoon. Maitohappo- ja glykolihappopohjaiset biologisesti hajoavat polymeerit ovat olleet kliinisessä käytössä jo vuosikymmeniä. Niitä on käytetty erityisesti tukimateriaaleina mm. ortopediassa sekä kasvo- ja leukakirurgiassa. Niitä ei ole toistaiseksi käytetty välikorvakirurgiassa. Korvan kuvantamiseen käytetään ensisijaisesti tietokonetomografiaa (TT). TT-tutkimuksen ongelmana on potilaan altistuminen suhteellisen korkealle sädeannokselle, joka kasvaa kumulatiivisesti, jos kuvaus joudutaan toistamaan. Väitöskirjatyö selvittää uuden, aiemmin kliinisessä työssä rutiinisti lähinnä hampaiston ja kasvojen alueen kuvantamiseen käytetyn rajoitetun kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen. Väitöskirjan kahdessa ensimmäisessä osatyössä tutkittiin ja verrattiin kahden kroonisia ja postoperatiivisia korvainfektioita aiheuttavan bakteerin, Staphylococcus aureuksen ja Pseudomonas aeruginosan, in vitro adherenssia titaanin, silikonin ja kahden eri biohajoavan polymeerin (PLGA) pintaan. Lisäksi tutkittiin materiaalien albumiinipinnoituksen vaikutusta adherenssiin. Kolmannessa osatyössä tutkittiin eläinmallissa PLGA:n biokompatibiliteettia eli kudosyhteensopivuutta kokeellisessa välikorvakirurgiassa. Chinchillojen välikorviin istutettiin PLGA-materiaalia, eläimiä seurattiin, ja ne lopetettiin 6 kk:n kuluttua operaatiosta. Biokompatibiliteetin arviointi perustui kliinisiin havaintoihin sekä kudosnäytteisiin. Neljännessä osatyössä tutkittiin kartiokeila-TT:n soveltuvuutta korvan alueen kuvantamiseen vertaamalla sen tarkkuutta perinteisen spiraali-TT:n tarkkuuteen. Molemmilla laitteilla kuvattiin ohimo- eli temporaaliluita korvan alueen kliinisesti ja kirurgisesti tärkeiden rakenteiden kuvantumisen tarkkuuden arvioimiseksi. Viidennessä osatyössä arvioitiin myös operoitujen temporaaliluiden kuvantumista kartiokeila-TT:ssa. Bakteeritutkimuksissa PLGA-materiaalin pintaan tarttui keskimäärin korkeintaan saman verran tai vähemmän bakteereita kuin silikonin tai titaanin. Albumiinipinnoitus vähensi bakteeriadherenssia merkitsevästi kaikilla materiaaleilla. Eläinkokeiden perusteella PLGA todettiin hyvin siedetyksi välikorvassa. Korvakäytävissä tai välikorvissa ei todettu infektioita, tärykalvon perforaatioita tai materiaalin esiin työntymistä. Kudosnäytteissä näkyi lievää tulehdusreaktiota ja fibroosia implantin ympärillä. Temporaaliluutöissä rajoitettu kartiokeila-TT todettiin vähintään yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin spiraali-TT välikorvan ja sisäkorvan rakenteiden kuvantamisessa, ja sen aiheuttama kertasäderasitus todettiin spiraali-TT:n vastaavaa huomattavasti vähäisemmäksi. Kartiokeila-TT soveltui hyvin välikorvaimplanttien ja postoperatiivisen korvan kuvantamiseen. Tulokset osoittavat, että PLGA on välikorvakirurgiaan soveltuva, turvallinen ja kudosyhteensopiva biomateriaali. Biomateriaalien pinnoittaminen albumiinilla vähentää merkittävästi bakteeriadherenssia niihin, mikä puoltaa pinnoituksen soveltamista implanttikirurgiassa. Kartiokeila-TT soveltuu korvan alueen kuvantamiseen. Sen tarkkuus kliinisesti tärkeiden rakenteiden osoittamisessa on vähintään yhtä hyvä ja sen potilaalle aiheuttama sädeannos pienempi kuin nykyisen korva-spiraali-TT:n. Tämä tekee menetelmästä spiraali-TT:aa potilasturvallisemman vaihtoehdon erityisesti, jos potilaan tilanne vaatii seurantaa ja useampia kuvauksia, ja jos halutaan kuvata rajoitettuja alueita uni- tai bilateraalisesti.

The significance of brittle reaction layers in fusing of dental ceramics to titanium

This thesis comprises four intercomplementary parts that introduce new approaches to brittle reaction layers and mechanical compatibility of metalloceramic joints created when fusing dental ceramics to titanium. Several different methods including atomic layer deposition (ALD), sessile drop contact angle measurements, scanning acoustic microscopy (SAM), three-point bending (TPB, DIN 13 927 / ISO 9693), cross-section microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were employed. The first part investigates the effects of TiO2 layer structure and thickness on the joint strength of the titanium-metalloceramic system. Samples with all tested TiO2 thicknesses displayed good ceramics adhesion to Ti, and uniform TPB results. The fracture mode was independent of oxide layer thickness and structure. Cracking occurred deeper inside titanium, in the oxygen-rich Ti[O]x solid solution surface layer. During dental ceramics firing TiO2 layers dissociate and joints become brittle with increased dissolution of oxygen into metallic Ti and consequent reduction in the metal plasticity. To accomplish an ideal metalloceramic joint this needs to be resolved. The second part introduces photoinduced superhydrophilicity of TiO2. Test samples with ALD deposited anatase TiO2 films were produced. Samples were irradiated with UV light to induce superhydrophilicity of the surfaces through a cascade leading to increased amount of surface hydroxyl groups. Superhydrophilicity (contact angle ~0˚) was achieved within 2 minutes of UV radiation. Partial recovery of the contact angle was observed during the first 10 minutes after UV exposure. Total recovery was not observed within 24h storage. Photoinduced ultrahydrophilicity can be used to enhance wettability of titanium surfaces, an important factor in dental ceramics veneering processes. The third part addresses interlayers designed to restrain oxygen dissolution into Ti during dental ceramics fusing. The main requirements for an ideal interlayer material are proposed. Based on these criteria and systematic exclusion of possible interlayer materials silver (Ag) interlayers were chosen. TPB results were significantly better in when 5 μm Ag interlayers were used compared to only Al2O3-blasted samples. In samples with these Ag interlayers multiple cracks occurred inside dental ceramics, none inside Ti structure. Ag interlayers of 5 μm on Al2O3-blasted samples can be efficiently used to retard formation of the brittle oxygen-rich Ti[O]x layer, thus enhancing metalloceramic joint integrity. The most brittle component in metalloceramic joints with 5 μm Ag interlayers was bulk dental ceramics instead of Ti[O]x. The fourth part investigates the importance of mechanical interlocking. According to the results, the significance of mechanical interlocking achieved by conventional surface treatments can be questioned as long as the formation of the brittle layers (mainly oxygen-rich Ti[O]x) cannot be sufficiently controlled. In summary in contrast to former impressions of thick titanium oxide layers this thesis clearly demonstrates diffusion of oxygen from sintering atmosphere and SiO2 to Ti structures during dental ceramics firing and the following formation of brittle Ti[O]x solid solution as the most important factors predisposing joints between Ti and SiO2-based dental ceramics to low strength. This among other predisposing factors such as residual stresses created by the coefficient of thermal expansion mismatch between dental ceramics and Ti frameworks can be avoided with Ag interlayers.