AVALIAÇÃO ELETROQUÍMICA E MECÂNICA DE FIOS ORTODÔNTICOS DE Ni- Ti EM FUNÇÃO DO TEMPO DE USO CLÍNICO

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1 AVALIAÇÃO ELETROQUÍMICA E MECÂNICA DE FIOS ORTODÔNTICOS DE Ni- Ti EM FUNÇÃO DO TEMPO DE USO CLÍNICO Britto, K.M.F. 1, Martinelli, A. E 2., Scatena Jr., H. 3, Nascimento, R.M. 4 1,2,3,4 Universidade Federal do Rio Grande do Norte Centro de Ciências Exatas e da Terra Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais Campus Universitário Lagoa Nova s/n Natal, RN kathiabritto@interjato.com.br RESUMO Fios superelásticos de ligas níquel-titânio permitem ao ortodontista a aplicação de forças suaves e contínuas para a movimentação dentária, pois exibem grandes deformações elásticas devido ao seu comportamento singular relacionado à transformação martensítica de sua microestrutura. Como todo material odontológico, além da biocompatibilidade, é necessário manter rígido controle sobre suas propriedades físico-químicas e mecânicas durante todo o período de uso. Durante o tratamento, estas ligas são submetidas à umidade da cavidade oral, tensões mecânicas, ph e temperatura variados, além do contato com microorganismos. Todos esses fatores podem modificar as propriedades dos fios ortodônticos e, conseqüentemente, seu desempenho. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do tempo de permanência na cavidade bucal sobre o comportamento de fios superelásticos de níquel-titânio. O comportamento mecânico e de corrosão de fios comerciais de diferentes diâmetros foi analisado após intervalos de 1, 2 e 3 meses de uso em pacientes submetidos a tratamento ortodôntico. Além de ensaios mecânicos de tração e análise por microscopia eletrônica de varredura, foram realizados ensaios eletroquímicos utilizando-se fios sem uso. Os resultados demonstraram que as alterações no comportamento mecânico dos fios, durante os períodos de uso analisados, não compromete o desempenho esperado. Por outro lado, observou-se que o fio apresenta uma alta resistência à corrosão in vitro e que no ambiente bucal propício à formação de produtos de corrosão pela liberação de ácidos durante a decomposição de alimentos, promoveu a formação de poucos pites de corrosão. Palavras-chave: Níquel-titânio, fios ortodônticos, eletroquímica, superelasticidade INTRODUÇÃO Nos final dos anos 60, a Marinha Americana, estudando novas ligas que exibissem efeito de memória de forma, desenvolveu uma liga que foi chamada Nitinol, uma acrônimo para níquel titânio Naval Ordnance Laboratory [Buehler WJ, Wiley RC, 1962]. Por volta de 1970, as ligas de níquel-

2 titânio foram introduzidas na ortodontia [Andreasen GF, Hilleman TB, 1971]. A primeira liga comercializada tinha uma composição de 50Ni:50Ti, era uma liga martensítica estabilizada apresentado uma baixa rigidez, que comparada com as demais ligas usadas na época era bastante elástica, atendendo aos critérios de força suave e contínua. Atualmente, duas outras ligas de nitinol estão disponíveis; uma liga austenítica ativa (superelástica) e uma liga martensítica ativa (termoativada). Memória de forma e a superelasticidade das ligas de niquel-titânio resultam da mudança de fase austenítica martensítica que ocorre na sua rede cristalina, influenciada por variações na temperatura e/ou tensão a que a liga está submetida [Khier, S. et al, 1989; Thayer, T.A. et all, 1995; Bradley, T.G. et all, 1996;. Duerig, T.et all, 1990; Tobushi, H. et all, 1998; Wolons, D. Et all,1998]. Na liga austenítica ativa, ambas as fases martensítica e austenítica desempenham um importante papel durante sua deformação mecânica. A martensita representa a fase menos rígida, a austenita representa a fase de alta rigidez. Assim, sob carga, a liga austenítica ativa, apresenta uma rigidez que produz uma força por ativação três vezes a força da ativação da liga martensítica convencional [Kusy R.P. et all, 1990]. Este efeito é rápido e muda para um longo patamar de isotensão seguido de nova inclinação onde a rigidez se torna compatível ao do nitinol martensítico. A transformação de fase por indução de tensão ocorre quando a fase austenítica do fio se transforma para a fase martensítica. Após a desativação ocorre o inverso, a região linear associada com a fase martensítica da liga convencional passa a apresentar um patamar de isotensão onde a fase martensítica transforma-se gradualmente na fase austenítica. Quando esta transformação por tensão induzida é completada, a inclinação inicialmente associada com a fase austenítica acontece novamente. Devido ao retorno ( springback ) ser quase total, esta série de eventos clínicos é elástica apesar do fato do seu comportamento ser bastante não linear. A região do patamar de isotensão no descarregamento, na qual a martensita se transforma reversivelmente em austenita, mostra claramente o atributo chave dessa liga, chamado de pseudoelasticidade ou superelásticidade [Colling, E.W. et all, 1984]. A liga martensítica ativa exibe uma SME (Efeito de Memória de Forma) induzida termicamente. A temperatura de transição da martensita para austenita tem que ocorrer em regiões da temperatura do ambiente oral. Como todo material odontológico, os fios ortodônticos devem satisfazer uma série de requisitos, tais como; estabilidade química no ambiente oral, biocompatibilidade e desempenho mecânico [Oshida, Y. et all, 1991; Shabalovskaya, S.A. et all, 1996; Wever, D.J. et all, 1997; Wever, D.J. et all 1998; Harris, E.F. et all,1988; Ryhanen, J. et all,1997]. Como o desenvolvimento destas novas ligas é recente, a maioria das informações disponíveis é baseada em ensaios de laboratório realizados em fios sem uso. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito do tempo de permanência na cavidade bucal sobre o comportamento de fios superelásticos de níquel-titânio. Analisando o comportamento mecânico e de corrosão de fios comerciais de diferentes diâmetros após intervalos de 1, 2 e 3 meses de uso em pacientes submetidos a tratamento ortodôntico.

3 MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Fios de níquel-titânio (Dental Morelli Ltda) do tipo superelástico na forma de arco, com seção transversal circular de (0,35mm), (0,40 mm), (0,45 mm) e (0,50 mm) foram ensaiados antes e após o uso em pacientes submetidos a tratamento ortodôntico. As amostras foram denominadas pelo diâmetro da seção transversal, conforme apresentado na Tabela 1. Tabela 1. Denominação das amostras pelo diâmetro da seção. Diâmetro 0,14 0,16 0,18 0,20 Fio A composição da liga e a temperatura de tratamento térmico (informações disponibilizadas pelo fabricante) são fornecidos na Tabela 2. Os fios permaneceram em uso por períodos de tempo que variaram de 1 a 3 meses. Não foi levado em consideração o tipo de maloclusão, higiene oral e hábitos alimentares individuais dos pacientes. Tabela 2 - Composição do fio da liga de NiTi superelástica. Elemento Peso % Níquel Titânio Oxigênio 0.05 máximo Carbono 0.05 máximo Mn,Si,Cr,Co,Mo,W,V < 0.01 Nb, Al, Zr, Cu, Ta, Hf < 0.01 Ag, Pb, Bi, Ca, Mg, Sn, Cd < 0.01 Zn, Sb, Sr, Na, As, Be, Ba < 0.01 Fe < 0.5 B < Tratamento térmico: T 510 C Ensaio Mecânico Foram realizados ensaios de tração nos fios sem uso e após tratamento ortodôntico para obtenção das curvas de histerese. Foi utilizada uma máquina de ensaios mecânicos servoelétrica SHIMADZU AG-I SERIES com célula de carga de 100 kn interligada a um computador. O programa de controle e tratamento de dados utilizado foi o TRAPEZIUM 2 da SHIMADZU. Os fios em forma de arco foram fixados nas garras da máquina, o comprimento útil inicial dos fios era de 50 mm. Durante os ensaios, o carregamento foi ajustado para uma velocidade de deformação constante de 10 mm/min até que o fio atingisse 8% de deformação. Estudos realizados indicam que para deformações de até 10 % os fios superelásticos de níquel-titânio voltam à sua forma inicial sem apresentar amnésia. No descarregamento a velocidade de deformação foi ajustada para 3 mm/min constante, atendendo aos itens e da norma técnica NBR ISO 9001:1994/ ISO 13485:1996. A

4 temperatura ambiente do laboratório era de 22ºC, porém a temperatura média da cavidade oral foi simulada realizando os ensaios em um forno que aqueceu todo o sistema de ensaio (garras e amostra). O forno possui um controlador que manteve a temperatura em 35 C ± 5ºC. Após a fixação da amostra, aguardava-se 1 h para que o equilíbrio térmico fosse alcançado e em seguida era iniciado o ensaio. Análise por Microscopia Eletrônica de Varredura Foram analisados através da microscopia de varredura, cortes de fios de níquel-titânio superelástico sem uso e utilizados após períodos de 1, 2 e 3 meses, nos diâmetros 0,14, 0,16, 0,18 e 0,20. Antes de serem retirados da boca, os fios eram marcados para se determinar, a região que estava em contato direto com os bráquetes e tubos molares (anterior lingual - AL, posterior lingual - PL e vestibular - AV) ou sem contato (anterior vestibular AV e região entre os bráquetes E), como mostrado na figura 1, a fim de serem evidenciados possíveis formações de pilhas galvânicas. Figura 1. Localizações dos cortes examinadas na microscopia eletrônica de varredura.(av, AV = Anterior Vestibular e Lingual; EV, EL = Entre bráquetes Vestibular e Lingual; PV PL = Posterior vestibular e Lingual) Para cada corte na mesma região, foram feitas imagens, com elétrons secundários (SE) e com elétrons retroespalhados (BSE) utilizando-se aumento de 1370X, a fim de se analisar o comportamento de corrosão. Ensaios Eletroquímicos Foram construídos três eletrodos com fio da liga de níquel-titânio superelástica, denominados respectivamente de A2, A4 e A6 (para serem usados nos ph 2, 4, e 6 respectivamente). Para a construção destes eletrodos, utilizou-se o fio de liga de NiTi superelástico com 0,18 (0,45 mm) de diâmetros e 2,5 cm de extensão em contato com um fio de cobre rígido; introduzidos em um tubo de

5 vidro, preenchendo-se as extremidades internas com resina acrílica auto-polimerizável e deixando-se 2 cm do fio de níquel-titânio para fora do tubo. Fig.2. Fig 2 Eletrodo de fio de níquel-titânio Para realizar o ensaio foi usada uma cela eletrolítica a três eletrodos, esquematizada na Fig. 3, contendo:um eletrodo de referência (ER) Ag /AgCl ; um eletrodo de trabalho (ET) Fio da liga de níquel-titânio superelástico 0,18 (0,45mm) de diâmetro e um contra eletrodo (CE) - (platina). Fig. 3 Cela eletrolítica (célula a três eletrodos) sendo usado como eletrólito saliva artificial, cuja composição encontra-se na tabela 3, variando-se o ph em: 2, 4 ou 6. Tabela 3 - Composição da saliva artificial (eletrólito): Elemento Quantidade Cloreto de potássio 31mg Cloreto de sódio 43mg Cloreto de magnésio 3mg Cloreto de cálcio 8mg Fosfato de potássio 40mg Nipagin (propil parabeno) 115mg Fluoreto de sódio 221mcg Glicerina 35ml Água destilada 25ml

6 As medidas foram realizadas usando-se um Potenciostato/Galvanostato, da EG&G PAR, modelo 273 A, conectado a um computador. Para aquisição e tratamento dos dados foram utilizandose o programa 352 SOFTCORROSION III, também da EG&G. Foram feitas para cada eletrodo três medidas variando a velocidade de varredura de 1, 5 e 10 mv/s. RESULTADOS E DISCUSSÕES Análise do comportamento mecânico Nos gráficos apresentados nas figuras 4 e 5, tem-se a tensão do patamar de isotensão durante o carregamento e durante o descarregamento em função do tempo de utilização dos fios de NiTi superelásticos, respectivamente. Verifica-se que com apenas 1 mês de uso as tensões dos patamares de carregamento e descarregamento aumentaram significantemente no fio 14 e nos demais fios. É importante verificar que após o primeiro mês de uso a tensão do platô não é alterada significativamente, diminuindo no segundo e terceiro meses de uso, porém permanecendo maior que a inicial. Tensão (MPa) s/u 1m 2m 3m Diâmetro do fio Figura 4: Tensão do patamar de isotensão durante o carregamento em função do tempo de uso dos fios de NiTi superelástico Tensão (MPa) Diâmetro do fio s/u 1m 2m 3m Figura 5: Tensão do patamar de isotensão durante o descarregamento em função do tempo de uso dos fios de NiTi superelástico A histerese dos fios foi avaliada através de ensaios mecânicos de tração por meio do carregamento e descarregamento do fio em um único ensaio. De forma geral, percebe-se que quando cessa a carga a deformação residual é pequena da ordem de 0,6 %. A análise dos dados da Tabela 4

7 não evidencia nenhuma tendência da deformação residual em função do tempo de uso e do diâmetro do fio. Verifica-se também que existe uma tendência de se aumentar a tensão máxima dos fios em função do tempo de uso. Fio σ/ MPa Tabela 4: Dados sobre a histerese dos fios. Sem uso 1 Mês 2 Meses 3 Meses ε σ/ ε σ/ ε σ/ Resid MPa Resid MPa Resid MPa (%) (%) (%) ε Resid (%) ±31 0, ± 45 0, ± 36 0, ± 15 0, ± 5 0, ± 80 0, ± 60 0, ± 57 0, ±15 0, ± 13 0, ± 16 0, ± 69 0, ± 6 0, ± 50 0, ± 33 0, ± 15 0,25 * Tensão : refere-se à tensão máxima aplicada ao fio no ensaio para deformação de 8% Estes comportamentos observados são um indicativo de que estes os fios de níquel-titânio superelásticos podem ser usados durante 3 meses, sem perda das suas propriedades mecânicas iniciais. Portanto, o ortodontista poder trocar o fio em função das necessidades clínicas de cada paciente. Comportamento de corrosão analisado por microscopia eletrônica de varredura Na figura 6, podemos observar que a superfície dos fios sem uso (6a), apresentam riscos e poros, semelhantes a pites de corrosão. (6a). (6b) Figura 6: Imagem obtida por microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) da superfície do fio de NiTi superelástico sem uso (a), com 3 meses de uso SE,1367X (b) e BSE 1369x) (c ) (6c)

8 Comparando o fio sem uso aos fios usados (6b, SE e 6c, BSE) observam-se poucas modificações com o aparecimento de pequenos pites de corrosão, provavelmente tendo como início os poros e riscos pré-existentes. Não foi observada diferença quanto ao diâmetro dos fios usados e a localização dos cortes. Comportamento de corrosão analisado in vitro O gráfico apresentado na figura 7 mostra o resultado de medidas voltamétricas que indicam que é formada uma camada de óxido de titânio na superfície do fio de níquel-titânio superelástico conferindo-lhe alta resistência elétrica a qual impede totalmente a passagem de corrente elétrica. A corrente alcança valores não nulos apenas em potenciais muitos altos da ordem de 1,5 a 2,0V. O ph influência o resultado da medida voltamétrica somente em potenciais catódicos, região na qual o eletrodo não sofre corrosão E(mV) 400 E(mV) I(uA) I(uA) E(mV) I(uA) Figura 7 Curva voltamétrica para o fio NiTi em saliva artificial com ph: a) 2, b) 4 e c) 6.

9 CONCLUSÕES O resultado dos ensaios mecânicos dos fios sem uso e utilizados durante 1, 2 ou 3 meses demonstrou que as propriedades mecânicas dos fios de níquel titânio sofrem alterações que não comprometem seu uso durante esse período; Análises por microscopia eletrônica do fio de níquel-titânio superelástico demonstraram que a corrosão observada durante 1, 2 ou 3 meses de uso não é significativa quando comparada ao fio sem uso, não comprometendo seu uso durante estes períodos; Os fio de níquel-titânio superelásticos apresentam elevada resistência à corrosão independente do ph aos quais foram submetidos; O fio de níquel-titânio superelásticos tem estabilidade química e mecânica na cavidade oral, sendo biocompatíveis para uso prolongado pelo período estudado (3 meses). AGRADECIMENTOS À Dental Morelli e ao Sr. Emanoel Ribeiro de Almeida pelo fornecimento dos fios. Ao Sr.Isao Fujishima pela realização dos ensaios de tração. Ao Sr. Artejose Revoredo pela realização das análises por microscopia eletrônica de varredura. REFERÊNCIAS 1. Buehler WJ, Wiley RC. TiNi Ductile intermetallic compound. Trans ASM 1962;55: Andreasen GF, Hilleman TB. An evaluation of 55 cobalt substituted nitinol wire for use in orthodontics. J Am Dent. Assoc 1971;82: Khier S, Brantley W, Fournelle R, Ehlert T. XRD and DSC studies of NiTi orthodontic wire alloys. J Dent Res 1989;68:386 (abstract) 4.Thayer TA, Bagby MD, Moore RN, De Angelis RJ. X-ray diffraction of nitinol orthodontic arch wires. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1995;107: Bradley TG, Brantley WA, Culbertson BM. Differencial scanning calorimetry (DSC) analyses of superelastic and nonsuperelastic nickel-titanium orthodontic wire. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1996;109: Duerig, T., Melton, K., Stokel, D., and Wayman, C. (1990). Engineering Aspects of Shape Memory Alloys. Butterworth-Heinemann, London. 7.Tobushi, H. Shimeno, Y. Hachisuka, T., and Tanaka, K. (1998). Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloys. Mechanics of Materials, 30, Wolons, D., Gandhi, F., and Malovrh, B. (1998). Experimental Investigation of the Pseudoelastic Hysteresis Damping Characteristics of Shape Memory Alloy Wires. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 9 (2), Kusy RP, Wilson TW. Dynamoc mechanical properties of straight titanium alloy arch wire. Dent Mater 1990;6:

10 10. Colling EW. The physical metallurgy of titanium alloy. Metals Park, Ohio: American Society for Metals, 1984, pp 151 and Oshida Y, Miyazaki S. Corrosion and biocompatibility of shape memory alloys. Zairyo-to-Kankyo 1991;40:834} Shabalovskaya SA. On the nature of the biocompatibility and on medical applications of NiTi shape memory and superelastic alloys. Bio Med Mater Eng 1996;6: Wever DJ, Veldhuizen AG, Sanders MM, Schakenraad JM, Horn van JR. Cytoxicity, allergic and genotoxic activity of a nickel-titaniumalloy. Biomaterials 1997;18: Wever DJ, Veldhuizen AG, Vries de J, Busscher HJ, Uges DRA, Horn van JR. Electrochemical and surface characterization of a nickel-titaniumalloy. Biomaterials 1998;19: Harris EF, Newman SM, Nicholson JA. Nitinol arch wire in a simulated oral environment; Changes in mechanical properties. AmJ Orthod Dentofac Orthop 1988;93: Ryhanen J, Niemi E, Serlo W, Niemela E, Sandvik P, Pernu H, Salo T. Biocompatibility of nickeltitanium shape memory metal and its corrosion behavior in human cell cultures. J Biomed Mater Res 1997;35: NBR ISO 9001:1994 item ISO 13485:1996 item Brochura do fabricante da matéria-prima (Special Mewtals Corporation). Instrução e trabalho operacional nível III, e métodos de ensaio nº4c2(secção circular) ensaio de histerese. ELECTROCHEMICAL AND MECHANICAL EVALUATION OF Ni-Ti ORTHODONTIC ARCWIRES DURING CLINICAL USE ABSTRACT Superelastic Ni-Ti arcwires allow dental movement by the application of smooth and continuous forces due to their considerable elastic deformation related to the martensitic transformation. The use of orthodontic arcwires requires strict control over biocompatibility, physical-chemical and mechanical properties throughout their residence period. During clinical treatment, these alloys are submitted to humidity, mechanical stresses, variable ph and temperature, in addition to contact with microorganisms. These conditions may affect the behavior of orthodontic arcwires and, consequently, modify their expected performance. The objective of this study was to evaluate the effect of the residence period over the properties of superelastic Ni-Ti arcwires. The mechanical and electrochemical behavior of commercial Ni-Ti arcwires of different diameters was assessed after intervals of 1, 2 or 3 months of use in patients submitted to orthodontic treatment. Tensile strength tests and electrochemical analyses were carried out along with a microstructural evaluation using ESEM of both used and non-used arcwires. The results revealed that, although the mechanical behavior of the arcwires changed as a function of residence time, this did not affect the required performance of the arcwires. Superior corrosion resistance was observed from electrochemical tests, however, corrosion products did form in the oral cavity by the release of organic digestive acids which resulted in the formation of few pits along the arcwires. Key-words: Nickel-titanium, orthodontic arcwires, electrochemistry, superelasticity.