Tribological study of metal alloys subject to dental wear

Abstract

The metal alloys used in the components of prostheses that are used in the oral rehabilitation of edentulous patients are subject to corrosive phenomena, such as tribocorrosion and galvanic corrosion, due to the forces to which they are subjected and the coexistence of different types of dental alloys, under the action of saliva. This situation can lead to failure of prosthetic rehabilitations and release in the body of different types of metal ions. In this work, three in vitro studies were carried out: 1) the evaluation of the tribological properties of the Ti-6Al-4V alloy; 2) characterization of the diffusion of aluminium and vanadium ions and 3) characterization of the diffusion of cobalt and chromium ions. In the study that evaluated the tribological properties, samples of Ti-6Al-4V were subjected to wear in an alternative sliding device, by an alumina counter-body and under a load of 15N in artificial saliva and fluoridated artificial saliva. We evaluated whether wear was influenced by the coexistence of dental amalgam samples tested simultaneously and by the presence of fluoride. The parameters tested were the hardness of the alloys, the surface roughness, the mass loss and the volume of the wear tracks. We found that the wear of Ti-6Al-4V samples increases significantly when tested simultaneously with dental amalgam samples in the presence of fluoride. From the results obtained, we can conclude that the Ti-6Al-4V alloy should not be used in areas subjected to wear, where it may be in contact with substances containing fluoride, especially if amalgam restorations are also present. Due to the proven release of ions to the environment, resulting from the wear and corrosion of these alloys, with inherent consequences at a local and systemic level, through an experimental model based on the Taylor dispersion technique, we carried out two studies involving different metallic ions: aluminium and vanadium from titanium-aluminium-vanadium alloys, and cobalt and chromium from cobalt-chromium alloys. In these two experimental studies, the tracer mutual diffusion coefficients of these ionic species in different media, such as artificial saliva with and without fluoride, were evaluated, at different pH, and in chlorhexidine digluconate, at 298.15 K. The mutual diffusion coefficients of chlorhexidine digluconate in aqueous solutions at different concentrations were also measured. It was found that the tracer diffusion coefficients for the studied ions vary as a function of the pH of the medium.

There was also a significant interaction between the two fluxes involved (ionic component + chlorhexidine digluconate), which explains the high negative values obtained for the D21 diffusion coefficients. The mutual diffusion studies were complemented with other theoretical and experimental studies, namely, molecular dynamics simulations for aluminium and UV-Vis spectroscopy for chromium and cobalt. The interactions observed between the aluminium, chromium and cobalt metal ions, and chlorhexidine digluconate suggested that this pharmacological compound can be considered an advantageous therapeutic agent, because can contribute to the reduction of the concentration of these ions released in the oral cavity.

As ligas metálicas utilizadas nos componentes das próteses que são utilizadas na reabilitação oral de pacientes desdentados, estão sujeitas a fenómenos corrosivos, tais como a tribocorrosão e a corrosão galvânica, devido às forças a que estão sujeitas e à coexistência de diferentes tipos de ligas metálicas sob a ação da saliva. Esta situação pode originar falência das reabilitações protéticas e libertação para o organismo de diferentes tipos de iões metálicos. Neste trabalho efetuaram-se três estudos in vitro: 1) a avaliação das propriedades tribológicas da liga Ti-6Al-4V; 2) caracterização da difusão dos iões alumínio e vanádio e 3) caracterização da difusão dos iões cobalto e cromo. No estudo da avaliação das propriedades tribológicas, amostras de Ti-6Al-4V foram sujeitas a desgaste num equipamento de deslizamento alternativo, por um contra-corpo de alumina e uma carga de 15N em saliva artificial e saliva artificial fluoretada. Avaliou-se se o desgaste era influenciado pela coexistência de amostras de amálgama dentária testadas simultaneamente e pela presença de flúor. Os parâmetros testados foram a dureza das ligas, a rugosidade superficial, a perda de massa e o volume das pistas de desgaste. Verificámos que o desgaste das amostras Ti-6Al-4V aumenta significativamente quando testadas simultaneamente com amostras de amálgama dentária em presença de flúor. Dos resultados obtidos podemos concluir que a liga de Ti-6Al-4V não deve ser utilizada em zonas sujeitas a desgaste e em que possa estar em contacto com substâncias contendo flúor, especialmente se restaurações em amálgama também estiverem presentes.

Devido à comprovada libertação de iões para o meio, resultantes do desgaste e corrosão dessas ligas, com inerentes consequências a nível local e sistémico, através de um modelo experimental baseado na técnica de dispersão de Taylor, realizámos dois estudos envolvendo diferentes iões metálicos: alumínio e vanádio provenientes das ligas de titânio-alumínio-vanádio, e cobalto e cromo, provenientes das ligas de cobalto e cromo. Nestes dois estudos experimentais foram avaliados os coeficientes de difusão mútua vestigiais dessas espécies iónicas em diferentes meios, tais como saliva artificial com e sem flúor, a diferentes pH, e em digluconato de clorexidina, a 298.15 K. Foram também medidos os coeficientes de difusão mútua de digluconato de clorexidina em soluções aquosas a diferentes concentrações. Verificou-se que os coeficientes de difusão vestigiais para os iões estudados sofrem variações em função do pH do meio. Constatou-se também uma significativa interação entre os dois fluxos envolvidos (componente iónico + digluconato de clorexidina), explicando-se assim a obtenção de elevados valores negativos para os coeficientes de difusão D21. Os estudos de difusão mútua foram complementados com outros estudos teóricos e experimentais, nomeadamente simulações de dinâmica molecular, no caso do alumínio e espectroscopia UV-Vis para o cromo e o cobalto. As interações observadas entre os iões metálicos de alumínio, cromo e cobalto, e o digluconato de clorexidina sugeriram que este composto farmacológico pode ser considerado um agente terapêutico vantajoso, pois pode contribuir para a redução da concentração desses iões libertados na cavidade oral.