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Antimicrobial activity, bacterial adhesion, and surface morphology of TiO2 nanoparticle-coated orthodontic elastomeric ligatures: An in vitro study - 02/02/26

Doi : 10.1016/j.ortho.2026.101144 
Saleh M. Baqandwan 1, , Nehal F. Albelasy 1, Waleed Eldars 2, 3, Marwa A. Tawfik 1
1 Department of Orthodontics, Faculty of Dentistry, Mansoura University, Mansoura, Egypt 
2 Department of Medical Microbiology and Immunology, Faculty of Medicine, Mansoura University, Mansoura, Egypt 
3 Department of Basic Medical Sciences, Faculty of Medicine, New Mansoura University, Mansoura, Egypt 

Saleh M. Baqandwan, Department of Orthodontics, Faculty of Dentistry, Mansoura University, Mansoura, Egypt. Department of Orthodontics, Faculty of Dentistry, Mansoura University Mansoura Egypt

Summary

Background

The objective of this study was to evaluate the antimicrobial activity, bacterial adhesion, and surface morphology of orthodontic elastomeric ligatures coated with titanium dioxide nanoparticles (TiO 2 NPs) at different concentrations over 4 weeks.

Material and methods

TiO 2 NPs were synthesized via hydrothermal synthesis and applied at 5% and 10% on elastomeric ligatures (Ormco®) using a sol-gel dip-coating method. In all, 720 ligatures were divided into control (uncoated), 5%, and 10% TiO 2 NPs groups. The primary objectives were to assess antimicrobial activity against Streptococcus mutans via agar diffusion immediately after coating and after 48 hours, 2 weeks, and 4 weeks of immersion in artificial saliva at 37 °C, and to quantify bacterial adhesion as CFU. The secondary objectives included evaluation of surface morphology and roughness using SEM. Statistical analysis was performed using two-way ANOVA with Bonferroni correction.

Results

Both TiO 2 NP coated groups showed significantly higher antibacterial activity and lower bacterial adhesion than controls ( P < 0.001). In the 10% group, inhibition zones decreased by 6.8 mm (95% CI: 4.9–8.7) at 48 hours, 10.6 mm (95% CI: 8.7–12.5) at 2 weeks, and 24.7 mm (95% CI: 22.8–26.6) at 4 weeks; 5% group showed smaller reductions (8.3 mm, 13.9 mm, 21.5 mm). Bacterial adhesion declined by 9933 CFU (95% CI: 9113–10,754) for 10% and 6477 CFU (95% CI: 5656–7297) for 5%. The 10% coating consistently had the strongest antibacterial effect and lowest CFUs, though efficacy decreased over time. SEM revealed increased surface roughness, especially in the 10% group.

Conclusions

TiO 2 NPs coatings, particularly at 10%, enhance short-term antibacterial properties of orthodontic ligatures. However, the antimicrobial benefits decrease over time due to coating degradation and exposure to saliva. Higher nanoparticle concentrations increase surface roughness, which may affect long-term biofilm resistance. Optimizing nanoparticle dispersion and coating durability is essential for sustained clinical effectiveness.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Antimicrobial activity, Bacterial adhesion, Elastomeric ligatures, Streptococcus mutans , Titanium dioxide nanocoating


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