Mikroanaliza rentgenowska składu wybranych drutów ortodontycznych. Roentgen Microanalysis of Chemical Composition of Chosen Orthodontic Archwires

Transkrypt

1 PRACE ORYGINALNE Dent. Med. Probl. 2006, 43, 2, ISSN X Copyright by Silesian Piasts University of Medicine in Wrocław and Polish Stomatological Association MARCIN MIKULEWICZ 1, JANUSZ SZYMKOWSKI 2 Mikroanaliza rentgenowska składu wybranych drutów ortodontycznych Roentgen Microanalysis of Chemical Composition of Chosen Orthodontic Archwires 1 Samodzielna Pracownia Wad Rozwojowych Twarzy Katedry Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM we Wrocławiu 2 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji, Politechnika Wrocławska Streszczenie Wprowadzenie. Spośród najczęściej wykorzystywanych w leczeniu ortodontycznym stopów stosuje się cztery ro dzaje: stopy niklowo tytanowe (NiTi), stopy stali nierdzewnej (SS), chromowo kobaltowe (CoCr) oraz β tytano we (βti). Stopień wielkości uwalniania jonów metali, które mogą być silnymi alergenami (np. jony niklu) zależy między innymi od składu danego stopu. Cel pracy. Określenie składu chemicznego wybranych stopów stosowanych w ortodoncji. Materiał i metody. Materiałem były wybrane stopy metali stosowane w ortodoncji; druty wykonane ze stopów ni klowo tytanowych (do tej grupy dodano stop ß tytanowy) oraz stopy stali nierdzewnej. Druty wykonane ze stopów niklowo tytanowych o wymiarach 0,016 0,022 cala; Neo Sentalloy, Nitanium anizers, NiTi, Remetitan, Nitinol Classic oraz stop β tytanowy TMA. Druty wy konane ze stali nierdzewnej o wymiarach 0,019 0,025 cala;, anizers,,,. Do oceny składu chemicznego drutów użyto elektronowego mikroskopu skaningowego JSM 5800 fir my Jeol wyposażonego w przystawkę do mikroanalizy rentgenowskiej ISIS 300 firmy Oxford. Wyniki i wnioski. Wartości składu chemicznego ocenianych stopów metali nie odbiegały od podawanych w pi śmiennictwie światowym (Dent. Med. Probl. 2006, 43, 2, ). Słowa kluczowe: stopy niklowo tytanowe, stopy stali nierdzewnej, skaningowy mikroskop elektronowy. Abstract Background. Among alloy applied in orthodontics, four alloys are in common use: nickel titanium alloys, stain less steel alloys, cobalt chromium alloys and ß titan alloys. Ions release from alloys which can cause an allergic reaction depends on (one of many factors) chemical composition of applied alloy. Objectives. To define chemical composition of chosen orthodontic alloys. Material and Methods. The material consisted of orthodontic alloys: nickel titanium alloys (with ß titan alloy) and stainless steel alloys. Evaluated nickel titanium alloys were (diameter: ); Neo Sentalloy (), Ni Ti (), Nitanium (anizers), Remetitan (), Nitinol () and β titan alloy TMA (). Stainless steel alloys group were: (diameter: ), produced by: following companies:,, anizers,,. All orthodontic wires were brand new. To define chem ical composition, scanning electron microscope JSM 5800 (Jeol), equipped with attachment for Rtg microanalysis of chemical composition ISIS 300 (Oxford) was used. Results and Conclusions. Obtained chemical composition of evaluated allays were similar to presented in world wide literature (Dent. Med. Probl. 2006, 43, 2, ). Key words: nickel titanium archwires, stainless steel archwires, scanning electron microscope. Do najczęściej stosowanych w leczeniu orto dontycznym stopów należą: stopy niklowo tytano we (NiTi), stopy stali nierdzewnej (SS), chromowo kobaltowe (CoCr) oraz β tytanowe (βti) [1]. Stopy te wykazują podatność na korozję w środowisku ja my ustnej [2]. Właściwość ta jest powiązana mię dzy innymi z takimi czynnikami jak: skład stopu, morfologia powierzchni, galwaniczne powiązanie

2 Mikroanaliza rentgenowska składu drutów ortodontycznych 253 różnych metali, skład otaczającego roztworu (ślina) jego ph i temperatura. Stopień wielkości uwalnia nia jonów metali, które mogą być silnymi, poten cjalnymi alergenami (np. jony niklu) zależy między innymi od składu danego stopu [3]. Celem pracy była ocena składu chemicznego wybranych stopów stosowanych w ortodoncji. Materiał i metody Materiałem były wybrane stopy metali stosowa ne w ortodoncji, które podzielono na dwie grupy druty wykonane ze stopów niklowo tytanowych (do tej grupy dodano stop ß tytanowy) oraz druty wyko nane ze stopów stali nierdzewnej. Druty wykonane ze stopów niklowo tytanowych wszystkie o wy miarach 0,016 0,022 cala; Neo Sentalloy, Nitanium anizers, Ni Ti, Remetitan, Nitinol Classic oraz stop β tytanowy TMA Orm co. Druty wykonane ze stali nierdzewnej wszyst kie o wymiarach 0,019 0,025 cala firm;, anizers,,,. Do oceny składu chemicznego drutów użyto elektronowego mikroskopu skaningowego JSM 5800 firmy Jeol wyposażonego w przystawkę do analizy rozmieszczenia pierwiastków z wykorzysta niem mikroanalizatora rentgenowskiego ISIS 300 firmy Oxford (ryc. 1. Schemat pomiaru). Próbki dru tów (długości 0,5 cm) umyto i odtłuszczono, a na stępnie mocowano na stolikach mikroskopowych za pomocą przewodzącej pasty srebrnej. Oznaczenia rozmieszczenia pierwiastków w stopach wykonano, stosując stałe wskaźniki pracy: napięcie przyspie szające 20 kv (tylko w przypadku stopu zawierają cego cyrkon zastosowano napięcie przyspieszające rzędu 25 kv, pozwalające na wzbudzenie promie niowania Zr serii KαKβ). W ocenianych próbkach stali nie oznaczano węgla z powodu jego małej za wartości poniżej 0,1%. Skład chemiczny drutów sprawdzano w kilku miejscach, ale zapisano tylko jedno widmo dla danej próbki, ponieważ próbki by ły jednorodne chemiczne w każdym miejscu. Zli czano skład w procentach wagowych. Wyniki Wyniki pracy przedstawiono w 2 tabelach i 10 rycinach. W tabeli 1 przedstawiono składy che miczne wybranych stopów niklowo tytanowych. Otrzymano następujące procentowe wyniki składu chemicznego: dla stopu Neo Sentalloy Ti 45 i Ni 55%, Nitanium Ti 43,9, Ni 56,1, Ni Ti Ti 44,5, Ni 55,5, Remetitan Ti 43,7, Ni 56,3, Ni tinol Classic Ti 45,1, Ni 54,9, TMA Ti 77,8%. Ryciny 2 3 przedstawiają graficzne odwzorowania składu stopów niklowo tytanowych. Rycina 4 przedstawia skład chemiczny stopu TMA (Ti ty tan, V wanad, Zr cyrkon, Mo molibden, Sn cyna). W tabeli 2 zestawiono składy stopów stali nierdzewnej wybranych producentów (Fe żelazo, Cr nikiel, Ni nikiel, Si krzem). Otrzymano na Ryc. 1. Budowa przystawki do mikro analizy RTG Fig. 1. Schema of RTG microanalyser

3 254 M. MIKULEWICZ, J. SZYMKOWSKI Tabela 1. Skład wybranych stopów (procenty wagowe), Ti tytan, Ni nikiel. Neo Sentalloy, Nitanium, Ni Ti, Remetitan, Niti nol Classic, TMA Table 1. Chemical composition of chosen alloys (% wei ght); Ti titanium, Ni nickel. Neo Sentalloy, Nitanium, Ni Ti, Remetitan Den taurum, Nitinol Classic, TMA Pierwiastek Ti Ni (Element) Stop (Alloy) Neo Sentalloy 45,0 55,0 Nitanium 43,9 56,1 Ni Ti 44,5 55,5 Remetitan 43,7 56,3 Nitinol Classic 45,1 54,9 TMA 77,8 brak ,8 0,9 Ryc. 4. Zawartość procentowa Ti, V, Zr, Mo, Sn w stopie TMA. Ti tytan, V wanad, Zr cyrkon, Mo molibden, Sn cyna Fig. 4. Chemical composition of Ti, V, Zr, Mo, Sn in TMA alloy. Ti titanium, V vanadium, Zr zirco nium, Mo molybdenum, Sn tin 6,0 11,1 4,2 Ti V Zr Mo Sn 45, , , ,0 43,9 44,5 43,7 Neo Sentalloy Nitanium Ni TI Rematitan Nitinol 45,1 Ryc. 2. Zawartość procentowa Ti w wybranych sto pach niklowo tytanowych Fig. 2. Chemical composition of Ti in chosen nickel titanium Tabela 2. Skład wybranych stopów (procenty wagowe) stali nierdzewnej:,,,,. Pierwiastki: Fe żelazo, Cr chrom, Ni ni kiel, Si krzem Table 2. Chemical composition of chosen stainless steel alloys ();,,,,. Elements: Fe iron, Cr chromium, Ni nickel, Si silicon Pierwiastek Fe Cr Ni Si (Element) Firma (Company) 71,7 19,2 8,7 0,5 70,9 19,1 9,2 71,4 19,7 8,2 70,6 19,8 8,7 7 19,8 8,7 56, , , ,0 56,1 55,5 56,3 Neo Sentalloy Nitanium Ni TI Rematitan Nitinol 54,9 tość Fe odpowiednio: 71,7, 70,9, 71,4, 70,6, 7%, zawartość Cr odpowiednio: 19,2, 19,1, 19,7, 19,8, 19,8%, zawartość Ni odpowiednio: 8,7, 9,2, 8,2, 8,7, 8,7%, zawartość Si odpowiednio: 0,5,,, %. Ryciny 5 8 przedstawiają gra ficzne odwzorowania zawartości poszczególnych pierwiastków w wybranych stopach stali nie rdzewnej różnych producentów. Rycina 9 i 10 ilu strują przykłady otrzymanych wydruków wyni ków; nr 9 dla stopu stali nierdzewnej (), a rycina nr 10 dla stopu niklowo tytanowego Nita nium: anizers. Ryc. 3. Zawartość procentowa Ni w wybranych sto pach niklowo tytanowych Fig. 3. Chemical composition of Ni in nickel titanium stępującą procentową zawartość składu chemicz nego dla stopów stali nierdzewnej firm,,,,, zawar Omówienie Skład chemiczny stopów niklowo tytanowych stwierdzony w badaniach własnych (zawartość Ti od 43,7 dla Remetitan do 45,1% dla Nitinol Clas sic, zawartość Ni od 54,9 dla Nitinol Classic do

4 Mikroanaliza rentgenowska składu drutów ortodontycznych ,8 71,7 71,6 71,4 71, ,6 70,4 70,2 70,9 71,4 70,6 7 0,9 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Ryc. 5. Zawartość procentowa Fe w wybranych sto Fig. 5. Chemical composition of Fe in chosen stainless Ryc. 8. Zawartość procentowa Si w wybranych sto Fig. 8. Chemical composition of Si in chosen stainless 20 19,8 19,6 19,7 19,8 19,8 19,4 19,2 19,2 19, ,8 18,6 Ryc. 6. Zawartość procentowa Cr w wybranych sto Fig. 6. Chemical composition of Cr in chosen stainless Ryc. 9. Widmo charakterystyczne promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez atomy próbki stopu stali nierdzewnej (SS ). Oś odcię tych: energia serii w kev, oś rzędnych: natężenie pro mieniowania w liczbie zliczeń/sek (c/s) Fig. 9. Characteristic spectrum of X ray emitted by steel particles (SS ). Abscissa; energy in kev, ordinate; intensity of radiation in counts/sec (c/s) 9,4 9,2 9 8,8 8,6 8,4 8,2 8 7,8 7,6 8,7 9,2 Ryc. 7. Zawartość procentowa Ni w wybranych sto Fig. 7. Chemical composition of Ni in chosen stainless 8,2 8,7 8,7 Ryc. 10. Widma charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez atomy próbki stopu niklowo tytanowego (Nitanium ani zers). Oś odciętych: energia serii w kev, oś rzędnych: natężenie promieniowania w liczbie zliczeń/sek (c/s) Fig. 10. Characteristic spectrum of X ray emitted by particles of nickel titanium alloy (Nitanuim Ortho Organizers). Abscissa; energy in kev, ordinate; inten sity of radiation in counts/sec (c/s)

5 256 M. MIKULEWICZ, J. SZYMKOWSKI 56,3% dla Remetitan) były zbliżone do wyników otrzymanych przez innych autorów. Kim et al. [2] ocenili skład chemiczny stopu TMA, ustalając pro centową zawartość poszczególnych pierwiastków na: Ti 78, Mo 11,5, Zr 6, Sn 4,5%. Podob ne wyniki uzyskał Kusy et al. [4] Ti 78,2, Mo 11,3, Zr 6,3, Sn 3,7, Al 0,2%, stosując przy stawkę RTG przy pików na sekundę. W piśmiennictwie określa się jako wzorcowy procentowy skład chemiczny stopu ß tytanowego na 80 Ti, Mo 11,5, Zr 6, Sn 4,5% [5]. Wyni ki uzyskane w badaniach własnych nie odbiegają od podawanych w piśmiennictwie światowym procentowy skład chemiczny stopu TMA został określony na: Ti 77,8, Mo 11,1, Zr 6, Sn 4,2, V 0,9%. Zawartość niklu i tytanu w grupie sto pów niklowo tytanowych w badaniach własnych wynosiła dla niklu od 54,9 (Nitinol Classic) do 56,3% (Remetitan). Podobne wartości zawartości Ni w składzie chemicznym uzyskali Iijama et al. [6] 55,5% (oceniany NiTi ). W piśmien nictwie zawartość niklu w stopach niklowo tyta nowych określa się na 50% [7]. W obserwacjach innych autorów znajdują się podobne dane co do składu chemicznego stopów niklowo tytanowych. Zawartość niklu określono na 47 50% [8]. Hurst et al. [9] określili procentowy skład chemiczny sto pów ortodontycznych: NiTi Ni 55, Ti 45, Ni tinol Ni 55, Ti 45%. Huang [10] podkreśliła, że pomimo podobnych składów chemicznych (dla Ni Ti Ti 57, Ni 43%), druty niklowo tyta nowe wykazują zróżnicowane właściwości koro zyjne. W badaniach własnych dotyczących składu stopów stali nierdzewnej zawartości żelaza, niklu, chromu, siatki jest zgodna z doniesieniami w pi śmiennictwie światowym. Różnica między stopem zawierającym najwięcej żelaza () a stopem zawierającym najmniej żelaza () wyno siła 1,06% składu chemicznego. Różnice odnoto wano w zawartościach niklu odpowiednio 0,9% składu chemicznego (dla anizers i ) oraz chromu odpowiednio % składu chemicznego (dla / i Ortho Organizers). Uzyskane wartości dotyczące składu wagowego były zbliżone do podawanych przez in nych autorów. Gursoy et al. [11] określili składy stopów stali nierdzewnej: nikiel 8 12%, chrom 17 22% oraz zróżnicowane zawartości proporcjo nalne manganu, miedzi, tytanu oraz żelaza. Inni au torzy również podali zbliżone wartości określając zawartość chromu i niklu w stopach stali nierdzew nej na odpowiednio: 18 (Cr) i 8% (Ni) [12]. Piśmiennictwo [1] KAPILA S., SACHDEVA R.: Mechanical properties and clinical applications of orthodontic wires. Am. J. Orthod. Dentofac. Orthoped. 1989, 96, [2] KIM H., JOHNSON J. W.: Corrosion of stainless steel, nickel titanium, coated nickel titanium, and titanium ortho dontic wires. Angle Orthod. 1999, 69, [3] HWANG C. J., SHIN J. S., CHA J. Y.: Metal release from simulated fixed orthodontic appliances. Am. J. Orthod. Den tofac. Orthop. 2001, 120, [4] KUSY R. P., WHITLEY J. Q., DE ARAUJO GURGEL J.: Comparisons of surface roughnesses and sliding resistances of 6 titanium based or TMA type archwires. Am. J. Orthod. Dentofa. Orthoped. 2004, 126, [5] KUSY R. P.: A review of contemporary archwires: their properties and characteristics. Angle Orthod. 1997, 67, [6] IIJAMA M., ENDO K., YUASA T., OHNO H., HAYASHI K., KAKIZAKI M., MIZOGUCHI I.: Galvanic corrosion behavior of orthodontic archwire alloys coupled to bracket alloys. Angle Orthod. 2006, 76, [7] KUSY R. P., WHITLEY J. Q., AMBROSE W. W., NEWMAN J. G.: Evaluation of titanium brackets for orthodontic tre atment: Part I. The passive configuration. Am. J. Orthod. Dentofac. Orthoped. 1998, 114, [8] ELIADES T., ATHANASIOU A. E.: In vivo aging of orthodontic alloys: implications for corrosion potential, nickel re lease, and biocompatibility. Angle Orthod. 2002, 72, [9] HURST C. L., DUNCANSON M. G., NANADA R. S., ANGOLKAR P. V.: An evaluation of the shape memeory phenome non of nickel titanium orthodontic wires. Am. J. Orthod. Dentofac. Orthod. 1990, 98, [10] HUANG H.: Variation in corrosion resistance of nickel titanium wires from different manufacturers. Angle Orthod. 2005, 75, [11] GURSOY S., ACAR A. G., SESEN C.: Comparison of metal release from new and recycled bracket archwire com binations. Angle Orthod. 2005, 75, [12] AǦAOǦLU G., ARUN T., IZGŰ B., YARAT A.: Nickel and chromium levels in the saliva and serum of patients with fi xed orthodontic appliances. Angle Orthod. 2001, 71, Adres do korespondencji: Marcin Mikulewicz Katedra i Zakład Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM ul. Krakowska 26 Wrocław tel.: e mail: mmikulewicz@poczta.onet.pl Praca wpłynęła do Redakcji: r. Po recenzji: r. Zaakceptowano do druku: r. Received: Revised: Accepted: