Biotribocorrosion behavior of titanium in simulated oral environments

Abstract

The oral cavity is a complex environment where corrosive substances from dietary, human saliva and oral biofilms may accumulate in retentive areas of dental implant systems and prostheses promoting corrosion at their surfaces. Additionally, during mastication, micro-movements may occur in artificial joints causing a relative motion between contacting surfaces, leading to wear. Both processes (wear and corrosion) result in a biotribocorrosion system. Previous studies have reported the corrosion of titanium in fluoride solutions. Nevertheless, the biotribocorrosion of titanium in fluoride solutions and in the presence of biofilms has not yet been reported to the authors’ best knowledge. Thus, the novelty of this work is to investigate the in-vitro corrosion and wear behavior of titanium in fluorinated artificial saliva solutions, and in presence of biofilms. In order to evaluate the corrosion behavior of titanium, electrochemical tests were performed on commercially pure (CP) titanium and Ti6Al4V in artificial saliva solutions without and containing different fluoride concentrations. After, electrochemical tests were carried out on CP titanium covered with biofilms composed of Streptococcus mutans and Candida albicans, and immersed in artificial saliva free of fluorides. In corrosion measurements, the following techniques were used: open-circuit potential (OCP), impedance spectroscopy (EIS) measurements and potentiodynamic polarization. Subsequently, sliding wear was assessed in the same media using a tribometer equipped with test viewer software . Also, OCP and EIS tests were carried out during the wear sliding tests. After corrosion-wear tests, worn and unworn surfaces were analyzed by atomic force (AFM) and scanning electron (SEM) microscopy. Localized corrosion of titanium was only observed at high fluoride concentration (12,300 ppm F-) although a decrease of the corrosion resistance of titanium was noticed when the fluoride concentration increased. As a consequence, metallic ions were released from the materials and, it should be highlighted, that these ions can become toxic for human tissues depending on their concentration. Under wear sliding tests, a progressive degradation of titanium by wear and corrosion (tribocorrosion) mechanisms can take place being harmful for titanium-based implant and prostheses. Also, the formation of wear debris due to the tribocorrosion phenomena can become toxic for human tissues. The presence of biofilms affected negatively the corrosion resistance of titanium probably due to acids release from the microorganisms. Moreover, the corrosion resistance of titanium was further affected in the presence of S. mutans biofilms as well as of mixed biofilms composed of C. albicans and S. mutans. Under wear sliding tests, biofilms generated an ultra-low friction on titanium immersed in artificial saliva solution, which can be compared to the effect of commercial lubricant agents. In dental implant systems, ultra-low friction on sliding contact areas might therefore cause a loss of the mechanical integrity ending up in a loosening of the implant internal connections. Concerning the biofilm structure, the extracellular matrix reveals interesting properties to produce novel materials for several applications ranging from tissue engineering to mechanical engineering. On the other hand, the improvement of the design of joint-based systems in different industrial sectors might be stimulated from this study, reducing the risks of failures caused by friction.

A cavidade oral é um complexo onde substâncias corrosivas oriundas da dieta, saliva humana e biofilmes orais podem ser acumulados em áreas retentivas de sistemas de implantes e próteses promovendo a corrosão de suas superfícies. Por outro lado, durante o processo mastigatório, micro-movementos podem ocorrer em juntas artificiais causando um movimento relativo entre superfícies em contato. Ambos os processos (desgaste e corrosão) resultam em um fenômeno conhecido como biotribocorrosão. Estudos prévios têm reportado a corrosão do titânio em soluções fluoretadas. Entretanto, a biotribocorrosão do titânio em tais soluções, e em presença de biofilmes não têm sido ainda investigados. O objetivo deste trabalho é investigar a corrosão e desgaste invitro em soluções de saliva artificial fluoretadas, e em presença de biofilmes. Testes electroquímicos de superfícies de titânio foram realizados em soluções de saliva artificial contendo diferentes concentrações de fluor para avaliar o comportamento de corrosão do titânio. Após esta etapa, testes electroquímicos foram realizados em saliva artificial com superfícies de titânio cobertas com biofilmes. Para os testes de corrosão, os seguintes testes foram realizados: potencial em circuito aberto (OCP), espectroscopia de impedância eletroquimica (EIS) e polarização potenciodinâmica. Posteriormente, testes de desgaste foram realizados nas mesmas soluções usando um tribômetro conectado a um computador. OCP e EIS foram emplementados para os ensaios de desgaste. Após os testes de corrosão-desgaste, superfícies danificadas e não danificadas foram analizadas por microscopia de foça atômica (AFM) e de varrimento (SEM). Corrosão localizada foi somente detectada em alta concentração de fluor (12,300 ppm F-). Embora, a diminuição da resistência à corrosão do titânio foi observado com o aumento da concentração de fluor. Consequentemente, íons metálicos foram liberados das superfícies dos materiais o que pode ser tóxico para os tecidos humanos, dependendo da concentração de íons. Sob testes de desgaste, uma progressiva degradação do titânio por mecanismos de desgaste e corrosão foi constatada o que pode ser prejudicial para próteses e implantes de titânio. Ainda, a formação de particulas de desgaste devido ao fenômeno de tribcorrosão pode se tornar tóxico para os tecidos humanos. A presença de biofilmes afetou negativamente a resistência à corrosão do titânio provavelmente devido a substâncias ácidas liberadas a partir do metabolismo microbiano. Mais ainda, a resistência à corrosão foi menor na presença dos biofilmes mistos compostos de S. mutans e C. albicans do que na presença de biofilmes compostos apenas de S. mutans. Sob testes de desgaste, biofilmes promoveram uma ultra-baixa fricção sobre titânio imerso em solução de saliva artificial comparável àquela promovida por agentes lubrificantes. Em sistemas de implantes dentários, ultra-baixa fricção sobre áreas em contacto poderiam causar uma perda da integridade mecânica, no que levaria a falhas em conexões internas dos implantes. Considerando a estrutura dos biofilmes, a matriz extracelular revela interessantes propriedades para produção de materiais para diversas aplicações em engenharia de tecidos animais ou/e em engenharia mecânica. Por outro lado, a optimização do desenho de sistemas de juntas em diferentes setores industriais poderia ainda ser estimulado a partir deste estudo, reduzindo os riscos de falhas causados por fricção e desgaste.