Natural hydrogels as an Intracanal Therapeutic Tool - combination of antimicrobial and photodynamic therapies to prevent reinfections

Abstract

As infeções endodônticas são predominantemente causadas por microrganismos formadores de biofilme, que apresentam uma notável resistência às estratégias convencionais de desinfeção. Entre estes, o Enterococcus faecalis (E. faecalis) está fortemente associado a infeções persistentes ou secundárias, devido à sua adaptabilidade e capacidade de formar o biofilme. Neste contexto, o desenvolvimento de medicamentos intracanalares eficazes continua a ser uma prioridade clínica. A curcumina, um composto natural extraído da Curcuma longa, apresenta atividade antimicrobiana de largo espectro e potencial fotossensibilizador adequado para a terapia fotodinâmica (PDT). No entanto, a sua baixa solubilidade em água e instabilidade química limitam a sua aplicação direta. Para ultrapassar estas limitações, este trabalho teve como objetivo desenvolver uma formulação intracanalar inovadora, baseada em nanopartículas lipídicas sólidas (SLNs) contendo curcumina, incorporadas num hidrogel biocompatível para potenciar a sua libertação e ativação pela PDT. As SLNs, compostas por cetil palmitato e estabilizadas com Tween® 80, foram produzidas por ultrassonicação a quente. As nanopartículas apresentaram tamanhos médios em torno de 200 nm e cargas superficiais de −25 mV. Ensaios de libertação in vitro confirmaram a libertação controlada da curcumina ao longo de um período de 100 horas, e a atividade antioxidante foi validada através dos ensaios ABTS e DPPH. Os estudos antimicrobianos revelaram que a curcumina livre reduziu significativamente a viabilidade plantónica de E. faecalis nas primeiras 24 horas, embora este efeito tenha diminuído com o tempo. Em contraste, observaram-se efeitos antimicrobianos sustentados a baixas concentrações, com as SLNs contendo curcumina a reduzirem a viabilidade bacteriana plantónica para 3% e a atividade metabólica séssil para 12%, após 72 horas, a uma concentração de 2,5 µg/mL. Os ensaios de citocompatibilidade realizados em fibroblastos gengivais humanos confirmaram uma biocompatibilidade aceitável para concentrações até 2,5 µg/mL. Estas nanopartículas foram integradas com sucesso num hidrogel de alginato de sódio/poli(álcool vinílico), formando um sistema injetável e fotoresponsivo. A caracterização físico-química confirmou a libertação controlada da curcumina durante 72 horas e propriedades reológicas adequadas para aplicação intracanalar. A atividade antibiofilme foi avaliada contra o E. faecalis, revelando uma redução bacteriana superior nos grupos fotoativados (PhAc) em comparação com os grupos não fotoativados (non-PhAc) e controlos. Adicionalmente, todas as formulações mantiveram a viabilidade dos fibroblastos mesmo após a exposição à luz, evidenciando a sua biocompatibilidade. Em suma, o hidrogel desenvolvido com SLNs contendo curcumina representa uma estratégia terapêutica promissora como medicação intracanalar, combinando nanotecnologia e ativação fotodinâmica para melhorar a desinfeção, reduzir o risco de reinfeção e promover a preservação tecidular nos tratamentos endodônticos.

Endodontic infections are predominantly caused by biofilm-forming microorganisms that exhibit remarkable resistance to conventional disinfection strategies. Among them, Enterococcus faecalis (E. faecalis) is highly associated with persistent or secondary infections due to its adaptability and biofilm-forming ability. In this context, the development of effective intracanal medicaments remains a clinical priority. Curcumin (CUR), a natural compound extracted from Curcuma longa, presents broad-spectrum antimicrobial activity and photosensitizing potential suitable for photodynamic therapy (PDT). However, its low water solubility and chemical instability limit its direct application. To address these limitations, this work aimed to develop an innovative intracanal formulation based on curcumin-loaded solid lipid nanoparticles (SLNs), incorporated into a biocompatible hydrogel for enhanced delivery and PDT activation. SLNs composed of cetyl palmitate and stabilized with Tween® 80 were produced by hot ultrasonication, showing mean sizes around 200 nm and surface charges of −25 mV. In vitro release assays confirmed the controlled release of CUR over a 100-hour period, and antioxidant activity was validated using ABTS and DPPH assays. Antimicrobial studies revealed that free CUR significantly reduced planktonic E. faecalis viability within 24 hours, but this effect decreased over time. In contrast, sustained antimicrobial effects were observed at low concentrations, with CUR-loaded SLNs reducing planktonic bacterial viability to 3% and sessile metabolic activity to 12% after 72 hours at 2.5 µg/mL. Cytocompatibility testing on human gingival fibroblasts confirmed acceptable biocompatibility for concentrations up to 2.5 µg/mL. These nanoparticles were successfully integrated into a sodium alginate/polyvinyl alcohol hydrogel, forming an injectable and photo-responsive system. Physicochemical characterization confirmed the sustained release of CUR over 72 hours and suitable rheological properties for intracanal application. Antibiofilm activity was assessed against E. faecalis, demonstrating superior bacterial reduction in photoactivated (PhAc) groups compared to non-photoactivated (non-PhAc) and control conditions. Additionally, the formulations revealed significant antioxidant activity and maintained cytocompatibility in human fibroblasts, even after light exposure. Overall, the developed CUR-loaded SLN hydrogel represents a promising intracanal therapeutic strategy, combining nanotechnology and photodynamic activation to enhance disinfection, reduce reinfection risks, and support tissue preservation in endodontic therapy.