The influence of oxide-forming elements on corrosion and biocompatibility of experimental PFM alloys

Abstract

Introduction Under certain conditions dental alloys as prosthetic works, in the mouth, can suffer corrosion process and some of their elements can be released. The release of elements from remaining oxide layers caused by corrosion processes may promote gingival discolorations or even biological risk to oral tissues.

Aim of the study The purpose of this study was to investigate the corrosion resistance of twelve experimental PFM alloys with and without oxide layer, as well as to compare their substance loss to their cytotoxic effects with the same standardized cell-culture system, through out quantitative and qualitative biological assays.

Materials and methods Nine experimental high-noble alloys with Indium, Tin and Zinc as oxide-forming elements, and three experimental CoCr-based alloys with Ce contents of 0, 0.19 and 0.39wt% were tested after wet-polishing to SiC #1200 and simulated porcelain firing at 930°C for a total time of 5min (4min in vacuum and 1min in air). Three pure metals (In, Sn and Zn) were also tested. Samples of each alloy and surface state were stored in 0.1 mol/L lactic acid/sodium chloride corrosion solution (pH=2.3, 37°C) as recommended by the ISO 10271. After 1, 4, 7, 14, 28 and 35-days solutions were analyzed using ICP-OES. Results of three independent experimental series were tested for statistical significance using Student’s t-Test (p<0.05). The biological assays of the experimental alloys with and without oxide layer and pure metals were first carried out with cells grown on the material in direct contact. Viability and morphology analysis together with stains by means of fluorescein diacetate and ethidium bromide were performed by optical microscopy. The alloys toxic effects were determined by XTT-test following incubation of L-929 fibroblast cell cultures with extracts from the corrosion test and in cell culture medium for 24h at 37°C. Cytotoxicity assays were both in accordance with ISO 10993-5.

Results High-noble polished alloys demonstrated lower mass loss rates compared to polished and oxidized surfaces. Total substance loss over 35-days ranged from 0.5 µg/cm² (#B6, polished) to 238.4 µg/cm² (#B6, oxidized). The highest ion release with #A1, #A3, #B1, #B3, #B4, #B5 and #B6 oxidized samples was from oxide-forming elements (In and Zn). Zinc was released in concentrations up to 88.1 µg/cm² and 205.6 µg/cm² in the first day for heat-treated #A3 and #B6 respectively. Oxidized high-noble alloys with Indium content revealed constant ion leakage over the test period. Alloys with Tin (#A2 and #B2) demonstrated low overall ion release.

The addition of 0.19wt% Ce to the CoCr-based alloy decreased the corrosion rate, whereas 0.39wt% Ce showed no statistically significant further effect. The accumulated mean total substance loss values after 35-days of immersion revealed that #N1 polished released 3.3 µg/cm², #N2 up to 3.0 µg/cm², and #N3 amounts of 3.5 µg/cm². Meanwhile the polished and oxidized alloys released 54.7 µg/cm², 7.1 µg/cm² and 6.5 µg/cm², respectively.

The results showed that the PFM high-noble alloys as well as the base-metal alloys are biocompatible by the direct contact assay. The pure metal presented a ranking (from the most to the less toxic) of: Zn>In>Sn. Moreover, it was found that there isn’t any great difference between polished and pre-heating specimens. However a substantial difference was noted after the XTT-test. Alloys with Zinc content promoted cell depression after elution in corrosion media, whereas all other alloys showed no significant effect. Differences were to be noticed among the extracts of corrosion solution and in cell culture milieu. Zinc-content alloys demonstrated slight to no toxic effect after elution in cell culture media. No influence of the Ce content could be found for the polished as well as for the polished and oxidized samples.

Conclusions Highest ion release was within the first day in most cases. The following ranking shows the influence of oxide-forming elements on the alloy’s substance loss in descending order: Zn>In>Sn. The corrosion rates were in general one order of magnitude higher after oxidation than in the non-oxidized surface state and were caused by the oxide-forming elements. Toxicity was associated with the released Zinc element. The addition of Cerium to CoCr-based PFM alloys enhanced the corrosion resistance of oxidized surfaces, whereas the biocompatibility was not affected. Taken together, a total removal of the oxide layer is recommended to avoid unnecessary ion release.

Einleitung Dentallegierungen können unter bestimmten Bedingungen in der Mundhöhle korrodieren, die zum Verlust des Zahnersatzes führen können. Die Ionenabgabe von nicht entfernten Haftoxiden, die Korrosion verursachen, kann zu einer Verfärbung der Gingiva und so zu einem biologischen Risiko in der Mundhöhle führen.

Ziel der Untersuchungen Das Ziel der Untersuchungen war es, sowohl das Korrosionsverhalten von zwölf experimentellen dentaler Aufbrennlegierungen mit und ohne Oxidschicht zu untersuchen, als auch die Korrelation zwischen dem Masseverlust und der zytotoxischen Auswirkung mittels eines quantitativen bzw. qualitativen Zytotoxizitätstests zu bestimmen.

Material und Methode Es wurden 9-experimentelle EM-Legierungen mit In, Sn und Zn als Haftoxidbildner und 3-experimentelle Co-Basislegierungen mit Ce-Gehalt zwischen 0, 0,19 und 0,39wt% untersucht. Die Proben wurden mit nassem FEPA-1200 Siliziumcarbid-Papier geschliffen. Die Hälfte der Proben in jeder Versuchsgruppe wurden jeweils einem simulierten Keramikbrand bei 930°C für 5min (4min im Vakuum und 1min im Luft) unterzogen. Die entsprechenden Reinmetalle wurden nach dem gleichen Verfahren geprüft. Das Korrosionsverhalten wurde durch einen Immersionstest in 0,1 mol/L Milchsäure/NaCl Korrosionslösung (pH=2,3, 37°C) nach ISO 10271 untersucht. Nach 1, 4, 7, 14, 28 und 35-Tage wurden die Lösungen auf den Masseverlust der Proben mittels ICP-OES quantifiziert. Daten von dreifach unabhängigen Messungen wurden für statistische Signifikanz mittels t-Test (p<0,05) geprüft. Zytotoxizitätstests sowohl von den experimentellen Legierungen mit und ohne simulierten Keramikbrand als auch von den Reinmetallen wurden zuerst mittels eine Direkt Kontakt Test bewertet. Die toxischen Effekten der experimentellen Legierungen wurden mittels XTT-Test durch Brutzeit von L-929 Fibroblasten mit Korrosionslösungenextrakten sowie mit eingesetztem Kulturmedium für 24h beim 37°C bestimmt. Zytotoxizitätstests wurden für beide Testarten nach DIN EN ISO 10993-5 durchgeführt.

Ergebnisse Polierte EM-Legierungen zeigten niedriger Masseverlustwerte im Vergleich zu den oxidierten Oberflächen. Die gesamte Ionenabgabe zeigte nach 35-Tage Versuchungsdauer einen mittleren Wert von 0,5 µg/cm² (#B6, polierte) bis 238,4 µg/cm² (#B6, oxidiert). Der hohe Masseverlust wurde bei oxidierten #A1, #A3, #B1, #B3, #B4, #B5 und #B6 erreicht, der durch die Haftoxidbildner (In und Zn) verursacht wurde. Zn erreichte nach einem Tag einen Mittelwert von 88,1 µg/cm² und 205,6 µg/cm² für die oxidierten #A3 bzw. #B6. Oxidierte In-haltige Legierungen zeigten im zeitlichen Verlauf eine stetig steigende Ionenabgabe. Sn-haltige Legierungen (#A2 und #B2) zeigten niedrige Masseverlustwerten. Die Zugabe in Kobaltlegierung von 0,19wt% Ce minderte ihre Korrosionsanfälligkeit, dahingegen zeigte 0,39wt% Ce keine weitere statistisch signifikante Wirkung. Die gesamte Ionenabgabe ließ nach 35-Tage Immersionstest erkennen, dass polierten Proben einen mittleren Wert von 3,3 µg/cm² für #N1; 3,0 µg/cm² für #N2 und 3,5 µg/cm² für #N3 erreichten, während die oxidierten Proben einen entsprechenden mittleren Wert von 54,7 µg/cm²; 7,1 µg/cm² und 6,5 µg/cm² aufwiesen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sowohl die EM- als auch die NEM-Legierungen keine Schädigungen auf die Zellen nach Direkt Kontakt Test hervorgerufen haben. Die Reinmetalle zeigten eine Zellschädigung in der Rangordnung: Zn>In>Sn. Es konnte kein großer Unterschied zwischen polierten und oxidierten Oberflächezustand festgestellt werden. Einen wesentlichen Unterschied wurde aber nachweisbar nach dem XTT-Test. Nur Zn-haltige Legierungen haben einen konzentrationsabhängigen toxischen Effekt nach Extraktion in Korrosionslösung ergeben, während zeigte alle anderen Legierungen innerhalb der statistischen Schwankungsbreite keine Beeinträchtigung der Zellfunktion zeigten. Verschiedene Ergebnisse wurden zwischen Extrakten der Korrosionslösung und dem eingesetzten Kulturmedium beobachtet. Zn-haltige Legierungen zeigten geringfügige bis keine Zellschädigung nach Extraktion in Kulturmedium. Der Einfluss vom Ce-Element wurde sowohl auf den polierten als auch auf die oxidierten Oberflächen nicht festgestellt.

Schlussfolgerung Eine deutlich höhere Ionenlöslichkeit wurde meistens nach dem ersten Tag gemessen. Die folgende Rangfolge zeigt den Einfluss der Ionenabgabe der Haftoxidbildner in den Legierungen in absteigender Reihenfolge: Zn>In>Sn. Die Korrosionswerte zeigten zumeist höherwertige Größenordnung nach simuliertem Keramikbrand als bei der polierten Oberfläche, und dieses Verhältnis wurde verursacht durch den Haftoxidbestanteil. Toxizität wurde mit Zn-Abgabe verbunden. Die Ce Zugabe in Co-Basislegierungen verbesserte das Korrosionsverhalten von oxidierten Oberflächen, hatte jedoch keinen Einfluss auf die Biokompatibilität. Es ist daher zu empfehlen, die Oxidschichten bei Aufbrennlegierungen vollständig wegzuschleifen, um eine unnötige Ionenabgabe zu vermeiden.