Biofilm adalah kumpulan komunitas mikroorganisme (bakteri, jamur, kapang dan protozoa) pada suatu permukaan, yang diselimuti oleh lapisan pelekat matriks ekstraseluler yang terbuat dari protein, karbohidrat dan/atau DNA.  

5 tahap pembentukan biofilm:

Fase 1: 

Fase awal perlekatan mikroorganisme pada permukaan padat. S. mutans menempel pada enamel gigi dan bahan lain seperti akar gigi atau implan gigi menggunakan dua mekanisme: sukrosa dependen (berdasarkan aktivitas glikosiltransferase dan protein pengikat glukan) dan sukrosa independen (menggunakan interaksi antara partikel adhesi mikroorganisme dan aglutinin saliva. 

Fase 2: 

Hubungan bakteri yang tidak dapat diubah/irreversible dengan permukaan, merupakan awal dari pembentukan matriks eksopolisakarida (EPS) (EPS = ‘tulang punggung biofilm’; arsitektur terbuka saluran nutrisi, ruang, dan sifat lainnya, termasuk heterogenitas lingkungan (pH dan gradien oksigen, co- adhesi) yang membentuk perlindungan dari faktor pertahanan inang. 

Fase 3: 

Pematangan/maturasi biofilm, ketika matriks masih dikembangkan dan spesies bakteri lain bergabung dengan biofilm. Bakteri mensintesis polimer ekstraseluler (glukan larut dan tidak larut, fruktan, dan heteropolimer), yang merupakan konstituen matriks plak. Kehadiran matriks adalah fitur dari semua biofilm; namun, ini lebih dari perancah kimiawi yang mempertahankan bentuk biofilm. Matriks ini aktif secara biologis, menahan air, nutrisi, dan enzim di dalam struktur biofilm.

Fase 4:

Suksesi atau penggantian bakteri terkait dengan pergeseran dominasi awal spesies genus Streptococcus ke arah dominasi Actinomyces dan kokus gram positif lainnya. Spesies bakteri yang baru muncul menempel pada spesies perintis yang menempel sebelumnya. Kehadiran satu mikroorganisme menciptakan relung ekologi untuk mikroorganisme lain, yang memfasilitasi kelangsungan hidup mereka dalam kondisi baru yang menguntungkan → fenomena koagregasi

Fase 5: 

Pembentukan biofilm yang matang dikaitkan dengan penurunan laju pertumbuhan bakteri tertentu. Penggandaan jumlah bakteri terjadi dalam 1-2 jam pada tahap awal biofilm matang. Struktur biofilm tiga dimensi terbentuk. Pada tahap ini, interaksi antara mikroorganisme (antagonisme dan sinergisme), yaitu saling mempengaruhi satu sama lain dan interaksi mikroorganisme-inang yang terkait dengan sistem kekebalan inang. 

Keterangan tambahan gambar:

• Streptococcus mutans menghasilkan protein pengikat glukan (protein Gbp) yang mendorong perlekatan organisme pada gigi. Tiga protein Gbp, protein GbpA, protein GbpB, dan protein GbpC telah diidentifikasi
  
• Glucosyltransferase (GTF) adalah enzim ekstraseluler atau terkait sel yang disintesis oleh kelompok streptokokus "mutan" serta S. sanguis dan bertanggung jawab untuk biosintesis polisakarida ekstraseluler.

Hasil evaluasi hubungan filogenetik bakteri yang ditemukan pada sampel saliva (oral microbiome) orang sehat dan bakteri pembentuk model biofilm meniru plak gigi in vivo.

Plak gigi adalah agregasi bakteri dan produknya yang menumpuk di permukaan gigi; biofilm yang terorganisir secara struktural dan fungsional.

Plak gigi secara luas diklasifikasikan berdasarkan posisinya sebagai:

1. Plak supragingiva: ditemukan pada atau di atas margin gingiva
2. Plak subgingiva: ditemukan di bawah margin gingiva.

Proses pembentukan plak dapat dibagi menjadi beberapa fase:

1. Pembentukan pelikel pada permukaan gigi
2. Awal perlekatan/perlekatan bakteri
3. Kolonisasi/pematangan plak.

Tahap 1: 

• Enamel gigi secara permanen ditutupi dengan pelikel yang didapat sejak gigi tumbuh. 
• Pelikel pada permukaan gigi terdiri dari lebih dari 180 peptida, protein, dan glikoprotein, termasuk keratin, musin, protein kaya prolin, fosfoprotein (misalnya, statherin), protein kaya histidin, dan molekul lain yang dapat berfungsi sebagai tempat adhesi (reseptor) bagi bakteri.
• Bakteri yang menempel pada permukaan gigi tidak berkontak dengan enamel secara langsung tetapi berinteraksi dengan pelikel enamel yang diperoleh. Namun, pelikel bukan hanya matriks adhesi pasif.
• Banyak protein mempertahankan aktivitas enzimatik ketika mereka dimasukkan ke dalam pelikel, dan beberapa di antaranya, seperti peroksidase, lisozim, dan α-amilase, dapat memengaruhi fisiologi dan metabolisme sel bakteri yang menempel.

Tahap 2: 

• Kolonisasi suatu permukaan dimulai segera setelah dimasukkan ke dalam rongga mulut. 
• Bakteri yang berkolonisasi dapat dideteksi dalam waktu 3 menit setelah masuknya enamel steril ke dalam mulut.
• Langkah awal transportasi dan interaksi dengan permukaan pada dasarnya tidak spesifik (yaitu sama untuk semua bakteri). 
• Protein dan karbohidrat yang terpapar pada permukaan sel bakteri menjadi penting ketika bakteri berada dalam kontak dengan pelikel enamel. 
• Selama 4 sampai 8 jam pertama, genus Streptococcus cenderung mendominasi, biasanya terhitung >20% dari bakteri yang ada. 
• Bakteri lain yang umum hadir saat ini termasuk spesies yang tidak dapat bertahan hidup tanpa oksigen (aerob obligat), seperti Haemophilus spp. dan Neisseria spp., serta organisme yang dapat tumbuh dengan ada atau tidak adanya oksigen (anaerob fakultatif), termasuk Actinomyces spp. dan Veillonella spp → spesies ini dianggap sebagai “Kolonisasi Primer/Utama” permukaan gigi → menyediakan situs pengikatan baru untuk adhesi oleh bakteri mulut lainnya. 
• Aktivitas metabolisme kolonisasi primer mengubah lingkungan mikro lokal dengan cara yang dapat memengaruhi kemampuan bakteri lain untuk bertahan hidup dalam biofilm plak gigi.

Representasi diagram dari pembentukan plak awal

Langkah awal kolonisasi gigi oleh bakteri terjadi dalam tiga fase:

• Fase 1 → transportasi ke permukaan
• Fase 2 → adhesi reversibel awal
• Fase 3 → perlekatan yang kuat.

Tahap 3: 

• Bakteri kolonisasi primer yang melekat pada permukaan gigi memberikan reseptor baru untuk perlekatan oleh bakteri lain sebagai bagian dari proses yang dikenal sebagai koadhesi. 
• Bersama dengan pertumbuhan mikroorganisme yang melekat, koadhesi mengarah pada perkembangan mikrokoloni dan akhirnya menjadi bioilm yang matang.
• Interaksi yang ditandai dengan baik dari kolonisasi sekunder dengan kolonisasi awal termasuk koagregasi F. nucleatum dengan S. sanguinis, Prevotella loescheii dengan A. oris, dan Capnocytophaga ochracea dengan A. oris. 
• Streptococci menunjukkan koagregasi intragenerik, yang memungkinkan mereka untuk mengikat monolayer yang baru dari streptokokus yang sudah terikat.

Kolonisasi (mikroorganisme) Primer dan Sekunder di Plak Gigi:

• Kalkulus gigi = plak bakteri termineralisasi yang terbentuk pada permukaan gigi alami dan protesa gigi, terdiri dari garam mineral kalsium fosfat yang disimpan di antara dan di dalam sisa-sisa mikroorganisme yang sebelumnya hidup.
• Tingkat kalkulus dan lokasi pembentukannya spesifik pada populasi dan dipengaruhi oleh kebiasaan kebersihan mulut, akses ke perawatan profesional, diet, usia, asal etnis, waktu sejak pembersihan gigi terakhir, penyakit sistemik, dan penggunaan obat resep.

Berdasarkan tempat perlekatannya pada gusi kalkulus dibedakan menjadi dua jenis:

1. Kalkulus supragingiva 
2. Kalkulus subgingiva

Pembentukan kalkulus adalah hasil dari membatunya biofilm plak gigi, dengan ion mineral yang disediakan oleh saliva atau cairan sulkus.

1. Setelah erupsi gigi atau profilaksis gigi, protein pelikel dengan cepat menyerap ke permukaan enamel yang mendukung adhesi bakteri dan perkembangan biofilm selanjutnya terjadi. 
2. Pematangan biofilm berlangsung dengan pematangan mikroba yang khas dari organisme Kokus gram positif awal diikuti oleh pertumbuhan bakteri berfilamen yang mengarah pada perkembangan plak. 
3. Agen mineralisasi dari saliva dan GCF untuk kalkulus supra dan subgingival masing-masing memasuki biofilm yang menyebabkan mineralisasi matriks antar sel plak.
4. Ion kalsium dari air saliva dihilangkan dengan khelasi yang mendorong pengikatan kalsium dengan kompleks karbohidrat/protein yang menyebabkan pengendapan kristal garam kalsium fosfat, dan penggabungan kristal ini membantu pembentukan massa yang terkalsifikasi, sehingga menyebabkan pembentukan kalkulus.

Banyak teori diajukan untuk lebih memahami mekanisme pembentukan kalkulus, sebagai berikut:

• Mekanisme penguat
• Konsep epitactic
• Teori penghambatan
• Teori transformasi
• Teori bakteri
• Teori enzimatik