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          上海藍鑄特種合金材料有限公司
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          用于牙科應用的人工唾液溶液中的 CoCrW 合金

          日期: 2021-09-01
          瀏覽次數: 2

          為了評估其作為假牙材料的應用,在人工唾液和 0.15 mol.L-1 NaCl 介質中對 CoCrW 合金進行了體外細胞毒性測試、表面表征和電化學研究。使用的技術有:陽極極化曲線、計時電流測量、電化學阻抗譜 (EIS)、掃描電子顯微鏡 (SEM)、能量色散 X 射線光譜 (EDS) 分析和 X 射線光電子能譜 (XPS)。還進行了細胞毒性試驗。比較 CoCrW 合金在兩種研究介質中的電化學行為,從腐蝕電位 (Ecorr) 600 mV 陽極過電壓。從電化學測量中觀察到,兩種介質中的 CoCrW 合金僅呈現普遍腐蝕。 SEMEDS分析表明,該合金存在碳化鈮和硅錳氧化物作為非金屬夾雜物。 XPS 結果表明鈷對鈍化膜的形成沒有顯著貢獻。細胞毒性試驗表明 CoCrW 合金沒有細胞毒性。這些結果表明 CoCrW 合金可用作生物材料,用作牙種植體中的假體。

          介紹

          由于其機械性能,金屬合金自 20 世紀初就被用作牙科材料 (1,2)。如今,由于經濟問題,非貴重合金在牙科領域正在取代貴重合金。牙科用非貴金屬合金表面有一層薄的鈍化氧化物膜。這種鈍化膜必須具有高附著力、致密性、高電阻和無裂紋等缺陷 (1,2)。

          口腔環境非常適合促進金屬材料的氧化。唾液的數量和質量、唾液 pH 值、牙菌斑、蛋白質含量、食物和液體攝入的化學和物理特性以及一般口腔健康狀況等因素可能會影響口腔中的金屬腐蝕 (3)??谇画h境中的牙科材料有兩個問題:腐蝕產物釋放到身體引起的局部效應或全身性損傷以及對合金物理性能和臨床性能的影響(4-7)。

          CoCr 基合金已用于假牙,因為它們具有良好的耐腐蝕性 (8,9)。最近,已經開發出鎢含量高的合金而不是鉬,旨在提高陶瓷-金屬的附著力 (10)。另一方面,與 CoCrW 合金 (13,14) 相比,CoCrMo 合金得到了更多的研究 (4-12)。

          ? ? ?在這項工作中,在人工唾液和 0.15 mol.L-1 NaCl 介質中對 CoCrW 合金進行了體外細胞毒性測試、表面表征和電化學行為,以評估其作為假牙材料的應用。為了表征合金表面,使用極化曲線、計時電流法、電化學阻抗譜(EIS)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X射線光譜(EDS)和X射線光電子能譜。還進行了體外細胞毒性試驗,以研究擬議合金作為植入材料的生物相容性。

          材料與方法

          樣品和解決方案

          CoCrW合金的化學成分見表1。

          人工唾液的成分由三種不同的溶液制備。 使用以下試劑/濃度 (mol.L-1): 溶液 A

          ?

          ?1 CoCrW 合金的化學成分 (wt )

          Sample

          Co

          Cr

          W

          Nb

          V

          Si

          Mo

          Fe

          CoCrW

          59.4

          24.5

          10.0

          2.0

          2.0

          1.0

          1.0

          0.1

          NaH2PO4/0.233 + KCl/1.164 + NaCl/0.123 + NH4Cl/0.205

          + 檸檬酸鈉/3.74x10-3 + 乳酸/0.039; 溶液 B-尿素/0.167 + 尿酸/4.46x10-3 + NaOH/5x10-3 和溶液 CKSCN/0.123。 通過混合 A、B C 溶液 (1:1:1) 每天制備唾液溶液,然后在高純度去離子水 (15) 中稀釋 50 倍。

          所有實驗均使用自然曝氣溶液在 (37.0±0.5) °C 6.6 pH 值(口腔條件)下進行三次重復。

          電極

          CoCrW 合金工作電極是由棒的中心部分制成的圓盤,面積為 0.90 cm2。 圓柱形環氧樹脂底座與鋼盤配合。 一根同心黃銅棒連接到鋼+環氧樹脂基體上。 通過依次用更細等級的 120、400、600 2000 目砂紙拋光制備電極,然后在實驗前用蒸餾水和乙醇徹底沖洗并風干。

          輔助電極由鉑箔組成,每次實驗前都用酸清洗并燃燒。 飽和甘汞電極(SCE)用作參比電極。

          ?

          電化學實驗

          通過動電位極化陽極曲線和計時電流曲線評估耐腐蝕性。 所研究的 CoCrW 合金在人工唾液和 0.15 mol.L-1 NaCl 溶液中。 這些評估是在每個電位應用達到恒定電流后進行的,從陽極方向上的開路電位開始,從 Ecorr 0.9 V vs. SCE,使用 1 mV.s-1 掃描速率。 作為工作標準,假設當電流密度為 10 mA/cm2 時達到跨鈍化電位。 電化學阻抗譜 (EIS) 測量在 8 個十倍頻(從 100 KHz 10 mHz)進行。 潛力是

          ±8 mV, p.p. 實驗在 37 °C 下進行。 一種

          μAutolab type III/FRA2 恒電位儀(Metrohm Autolab BV,荷蘭)用于與頻率響應檢測器和微型計算機耦合。


          2. 使用能量色散光譜 (EDS) 分析 CoCrW 的不同表面區域拋光后的合金

          Region

          C

          O

          Si

          V

          Cr

          Mn

          Co

          Sr

          Nb

          Mo

          Ta

          W

          1

          3.98

          0.26

          0.51

          1.76

          23.16

          -

          59.63

          1.35

          -

          0.85

          -

          8.50

          2

          6.42

          -

          1.59

          1.36

          17.69

          -

          42.49

          2.04

          11.30

          2.90

          -

          9.18

          3

          3.10

          30.64

          19.40

          1.08

          16.31

          2.15

          15.12

          -

          2.68

          0.5

          6.29

          2.45


          表面表征

          掃描電子顯微鏡 (SEM) 和能量色散 X 射線光譜 (EDS) 分析

          SEM EDS 分析在與 Stereoscan 440 Leica 掃描電子顯微鏡(Leica Microsystems)耦合的 WDX600 牛津顯微鏡(Leica Microsystems. Wetzlar,德國)上進行。 樣品使用 1 μm 金剛石膏拋光,用水和乙醇沖洗并風干。 使用 EDS 分析了不同的表面區域(表 2)。

          ?

          X 射線光電子能譜 (XPS) 分析

          XPS 分析在光譜儀(型號 XSAM HS;Kratos Analytical Ltd, Manchester, UK)上在超高真空(約 10-8 Torr)下進行。非單色 Mg Kα (hν=1253.6 eV) 輻射用作 X 射線源,在 12 kV 電壓下具有 5 mA 發射電流。將樣品拋光,用去離子水沖洗,在超聲波浴中用分析級丙酮清洗 5 分鐘,然后用去離子水沖洗。在這些實驗之前,將樣品在 Ecorr 浸入人造唾液和 0.15 mol.L-1 NaCl 溶液中 8 小時。 8 小時后,分析表面成分以研究鈍化膜成分中鈷 (Co) 和鉻 (Cr) 的存在。作為結合能參考值,對應于外來烴 (16) 的碳峰的值是 284.8 eV。評估包括用于背景扣除的 Shirley 程序、混合高斯/洛倫茲函數和用于擬合峰值的最小二乘程序。

          ?

          表面表征

          掃描電子顯微鏡 (SEM) 和能量色散 X 射線光譜 (EDS) 分析

          SEM EDS 分析在與 Stereoscan 440 Leica 掃描電子顯微鏡(Leica Microsystems)耦合的 WDX600 牛津顯微鏡(Leica Microsystems. Wetzlar,德國)上進行。 樣品使用 1 μm 金剛石膏拋光,用水和乙醇沖洗并風干。 使用 EDS 分析了不同的表面區域(表 2)。

          ?

          X 射線光電子能譜 (XPS) 分析

          XPS 分析在光譜儀(型號 XSAM HS;Kratos Analytical Ltd, Manchester, UK)上在超高真空(約 10-8 Torr)下進行。非單色 Mg Kα (hν=1253.6 eV) 輻射用作 X 射線源,在 12 kV 電壓下具有 5 mA 發射電流。將樣品拋光,用去離子水沖洗,在超聲波浴中用分析級丙酮清洗 5 分鐘,然后用去離子水沖洗。在這些實驗之前,將樣品在 Ecorr 浸入人造唾液和 0.15 mol.L-1 NaCl 溶液中 8 小時。 8 小時后,分析表面成分以研究鈍化膜成分中鈷 (Co) 和鉻 (Cr) 的存在。作為結合能參考值,對應于外來烴 (16) 的碳峰的值是 284.8 eV。評估包括用于背景扣除的 Shirley 程序、混合高斯/洛倫茲函數和用于擬合峰值的最小二乘程序。

          ?

          細胞毒性試驗

          通過在與合金樣品接觸后將細胞培養物暴露于溶液中進行細胞毒性測定,在 37°C 的培養基 MEM 中浸泡 10 天。 NCTC 克隆 929 細胞系購自美國典型培養物保藏中心 (ATCC) 庫。 根據國際標準化組織 (ISO) (19),在之前的論文 (17,18) 中描述了中性紅吸收 (NRU) 方法,評估了細胞毒性效應。

          ?

          結果

          電化學結果

          人工唾液和 0.15 mol.L-1 NaCl 溶液的腐蝕電位(固定開路電位值)為

          -100±28 mVSCE -277±23

          mVSCE 分別(圖 1A)。陽極動電位極化曲線由腐蝕電位獲得并繪制,以評估電位的影響,以確定合金鈍化的電位范圍和跨鈍化電位的值。進行計時電流測試是為了驗證鈍化膜上是否存在點蝕。從極化曲線獲得的結果繪制在圖 1A 中,其中合金的計時電流曲線在不同的電位值(圖 1B 1C),分別在人工唾液和 NaCl 介質中。計時電流結果顯示在不同的電位下,并證實了通過動電位極化陽極曲線獲得的結果,表明金屬表面鈍化的電位范圍。在不同電位值下觀察到的電流密度恒定值表明合金不存在點腐蝕。

          ?

          EIS 被用來研究鈍化膜/電解質界面和隨電位增加的演變。圖 2 顯示了 CoCrW 在人工唾液(圖 2A)和 0.15 mol.L-1 NaCl 溶液(圖 2B)中 Ecorr 0.25 VSCE Bode(模量和相)圖。對于兩種介質中的合金/溶液界面,可以看到類似的行為:阻抗的虛部和實部隨著電位變得比 Ecorr 更正而減少。建議的等效電路如圖 2C 所示,

          其中 R 對應于電解質電阻,CPE Rf 分別對應于恒相元件(偽電容)和通過保護膜氧化反應的極化電阻。CPEdc Rct 分別對應于雙層恒相CoCrW 合金氧化的元素和電荷轉移電阻。在兩種媒體中為 Ecorr 0.25 VSCE 提出了相同的電路。

          表面表征

          ??????進行SEMEDS分析以評估非金屬夾雜物的存在。拋光后使用 EDS 分析不同的表面區域

          1 mm 鉆石膏。圖 3 顯示了三個不同的區域,1、2 3。根據 EDS 分析,區域 1 表示整體成分,區域 2 對應于碳化鈮,區域 3 是由于存在硅和錳氧化物。

          XPS 用于研究鈍化膜成分中 Cr Co 的存在。表 3 顯示了鈍化膜中元件的絕對電位。表面的鉻含量在兩種介質中都高于鈷,與唾液相比,在 0.15 mol.L-1 NaCl 中更高。結果表明鈍化膜中存在鉻 (III) 和鈷氧化物。

          ?

          細胞毒性試驗

          ?????進行細胞毒性試驗,結果見圖4;細胞毒性評價采用中性紅吸收法。陽性和陰性對照用于確認測試程序的適當性能和/或評估 CoCrW 合金的結果,以及控制電池靈敏度、提取效率和其他測試參數。細胞活力高于 IC50( ) 線的樣品被認為是無毒的,低于 IC50( ) 線的樣品是有毒的。

          ?

          討論

          ????? 1A 顯示鹽水溶液中的 Ecorr 更正,表明與人工唾液介質相比,形成更好的被動膜。 CoCrW 合金(圖 1A)在大的分析電位范圍內顯示出較小的電流密度值(1 10 μA/cm2),表明在兩種介質中形成的鈍化膜具有良好的特性。 CoCrW 合金在 NaCl 介質中表現出較低的鈍化電流密度,表明氯化鈉的鈍化膜比人工唾液中的鈍化膜更多。計時電流曲線(圖 1B 1C)即使在高電位下也顯示出恒定的電流密度值,表明沒有點腐蝕。結果表明,CoCrW 合金在 0.9 V 和兩種介質中的高電流密度值下僅呈現普遍腐蝕。

          ?

          ???通過 EIS Ecorr 0.25 VSCE 下研究了鈍化膜的特性。結果示于圖2A2B中。波特相圖是典型的無源系統,在低頻時阻抗的實部和虛部均具有高值。在波特圖中 |Z| 的值約為 105 Ω/cm2 且角度大于 75o,顯示形成的薄膜具有高阻容特性。波特相圖指出了人工唾液和氯化鈉的相同機制。圖 2C 還顯示了根據模擬等效電路對實驗結果的擬合。在整個研究頻率范圍內觀察到實驗結果和所提出的等效電路之間的良好一致性,表明兩種介質中的定性機制相同。在氯化鈉介質中形成的膜(圖 2B)比在人工唾液中形成的膜(圖 2A)具有更好的質量。

          鈍化膜的成分由 Ecorr XPS 分析。氯化鈉中形成的鈍化膜中鉻和鈷的含量比人工唾液中的多。保護膜由兩種介質(20)中的氧化鉻形成。 Hodgson 等人也獲得了這些結果。 (21)。在 CoCr 基合金中,只有在高電位時才會發現鉻氧化的另一種狀態,如 Cr (VI) (21,22)。 Co2+ Co3+ 之間的化學位移非常小 (22-24),表明難以表征金屬表面的氧化態。薄膜中的少量鈷表明它擴散到溶液中并且沒有顯著貢獻到氧化物相。

          在這項研究中,測試合金即使在 100? 提取物濃度下也沒有出現毒性作用。所有活力曲線均高于細胞毒性指數線,這意味著 CoCrW 合金在該測定中沒有顯示出細胞毒性效應。在這項研究中,CoCrW 合金表現出良好的行為,形成了富含鉻 (III) 氧化物和少量鈷氧化物的均勻鈍化膜。在 0.15 mol.L-1 NaCl 中形成的薄膜比在人工唾液中形成的薄膜更具電容性和電阻性。人工唾液的化學復雜性可能導致鈍化膜的更大不穩定性。 SEM EDS 表明 CoCrW 合金呈現碳化鈮和硅和錳的氧化物作為非金屬夾雜物。細胞毒性試驗驗證了非細胞毒性

          根據所使用的方法對合金的影響。

          這項研究的結果表明,從電化學和細胞毒性的角度來看,CoCrW 合金可用作生物材料,用于種植牙假體。

          ?

          圖1所示。CocrW合金在唾液中的電位、極化曲線。在每一個潛在的應用中,7r B和C的摩爾氯化物顯示了時間的變化。


          細胞毒性試驗

          通過在與合金樣品接觸后將細胞培養物暴露于溶液中進行細胞毒性測定,在 37°C 的培養基 MEM 中浸泡 10 天。 NCTC 克隆 929 細胞系購自美國典型培養物保藏中心 (ATCC) 庫。 根據國際標準化組織 (ISO) (19),在之前的論文 (17,18) 中描述了中性紅吸收 (NRU) 方法,評估了細胞毒性效應。

          ?

          結果

          電化學結果

          人工唾液和 0.15 mol.L-1 NaCl 溶液的腐蝕電位(固定開路電位值)為

          -100±28 mVSCE -277±23

          mVSCE 分別(圖 1A)。陽極動電位極化曲線由腐蝕電位獲得并繪制,以評估電位的影響,以確定合金鈍化的電位范圍和跨鈍化電位的值。進行計時電流測試是為了驗證鈍化膜上是否存在點蝕。從極化曲線獲得的結果繪制在圖 1A 中,其中合金的計時電流曲線在不同的電位值(圖 1B 1C),分別在人工唾液和 NaCl 介質中。計時電流結果顯示在不同的電位下,并證實了通過動電位極化陽極曲線獲得的結果,表明金屬表面鈍化的電位范圍。在不同電位值下觀察到的電流密度恒定值表明合金不存在點腐蝕。

          ?

          EIS 被用來研究鈍化膜/電解質界面和隨電位增加的演變。圖 2 顯示了 CoCrW 在人工唾液(圖 2A)和 0.15 mol.L-1 NaCl 溶液(圖 2B)中 Ecorr 0.25 VSCE Bode(模量和相)圖。對于兩種介質中的合金/溶液界面,可以看到類似的行為:阻抗的虛部和實部隨著電位變得比 Ecorr 更正而減少。建議的等效電路如圖 2C 所示,

          圖2。() CoCrW合金在氯化鈉(A)和人工唾液下的阻抗空間。等效電路用于擬合不同電勢下的實驗數據。


          其中 R 對應于電解質電阻,CPE Rf 分別對應于恒相元件(偽電容)和通過保護膜氧化反應的極化電阻。CPEdc Rct 分別對應于雙層恒相CoCrW 合金氧化的元素和電荷轉移電阻。在兩種媒體中為 Ecorr 0.25 VSCE 提出了相同的電路。

          表面表征

          ??????進行SEMEDS分析以評估非金屬夾雜物的存在。拋光后使用 EDS 分析不同的表面區域

          1 mm 鉆石膏。圖 3 顯示了三個不同的區域,1、2 3。根據 EDS 分析,區域 1 表示整體成分,區域 2 對應于碳化鈮,區域 3 是由于存在硅和錳氧化物。

          XPS 用于研究鈍化膜成分中 Cr Co 的存在。表 3 顯示了鈍化膜中元件的絕對電位。表面的鉻含量在兩種介質中都高于鈷,與唾液相比,在 0.15 mol.L-1 NaCl 中更高。結果表明鈍化膜中存在鉻 (III) 和鈷氧化物。

          ?表 3 浸漬后 CoCrW 合金的 X 射線光電子能譜 (XPS) 結果

          圖 3. 通過 1 毫米金剛石膏拋光的 CoCrW 合金樣品的 SEM 和 EDS 圖像。


          細胞毒性試驗

          ?????進行細胞毒性試驗,結果見圖4;細胞毒性評價采用中性紅吸收法。陽性和陰性對照用于確認測試程序的適當性能和/或評估 CoCrW 合金的結果,以及控制電池靈敏度、提取效率和其他測試參數。細胞活力高于 IC50( ) 線的樣品被認為是無毒的,低于 IC50( ) 線的樣品是有毒的。

          ?

          討論

          ????? 1A 顯示鹽水溶液中的 Ecorr 更正,表明與人工唾液介質相比,形成更好的被動膜。 CoCrW 合金(圖 1A)在大的分析電位范圍內顯示出較小的電流密度值(1 10 μA/cm2),表明在兩種介質中形成的鈍化膜具有良好的特性。 CoCrW 合金在 NaCl 介質中表現出較低的鈍化電流密度,表明氯化鈉的鈍化膜比人工唾液中的鈍化膜更多。計時電流曲線(圖 1B 1C)即使在高電位下也顯示出恒定的電流密度值,表明沒有點腐蝕。結果表明,CoCrW 合金在 0.9 V 和兩種介質中的高電流密度值下僅呈現普遍腐蝕。

          ?

          ???通過 EIS Ecorr 0.25 VSCE 下研究了鈍化膜的特性。結果示于圖2A2B中。波特相圖是典型的無源系統,在低頻時阻抗的實部和虛部均具有高值。在波特圖中 |Z| 的值約為 105 Ω/cm2 且角度大于 75o,顯示形成的薄膜具有高阻容特性。波特相圖指出了人工唾液和氯化鈉的相同機制。圖 2C 還顯示了根據模擬等效電路對實驗結果的擬合。在整個研究頻率范圍內觀察到實驗結果和所提出的等效電路之間的良好一致性,表明兩種介質中的定性機制相同。在氯化鈉介質中形成的膜(圖 2B)比在人工唾液中形成的膜(圖 2A)具有更好的質量。

          圖 4. CoCrW 合金在中性紅吸收方法的細胞毒性測定中的活力曲線。



          鈍化膜的成分由 Ecorr XPS 分析。氯化鈉中形成的鈍化膜中鉻和鈷的含量比人工唾液中的多。保護膜由兩種介質(20)中的氧化鉻形成。 Hodgson 等人也獲得了這些結果。 (21)。在 CoCr 基合金中,只有在高電位時才會發現鉻氧化的另一種狀態,如 Cr (VI) (21,22)。 Co2+ Co3+ 之間的化學位移非常小 (22-24),表明難以表征金屬表面的氧化態。薄膜中的少量鈷表明它擴散到溶液中并且沒有顯著貢獻到氧化物相。

          在這項研究中,測試合金即使在 100? 提取物濃度下也沒有出現毒性作用。所有活力曲線均高于細胞毒性指數線,這意味著 CoCrW 合金在該測定中沒有顯示出細胞毒性效應。在這項研究中,CoCrW 合金表現出良好的行為,形成了富含鉻 (III) 氧化物和少量鈷氧化物的均勻鈍化膜。在 0.15 mol.L-1 NaCl 中形成的薄膜比在人工唾液中形成的薄膜更具電容性和電阻性。人工唾液的化學復雜性可能導致鈍化膜的更大不穩定性。 SEM EDS 表明 CoCrW 合金呈現碳化鈮和硅和錳的氧化物作為非金屬夾雜物。細胞毒性試驗驗證了非細胞毒性

          根據所使用的方法對合金的影響。

          這項研究的結果表明,從電化學和細胞毒性的角度來看,CoCrW 合金可用作生物材料,用于種植牙假體。

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