Porto Alegre - RS de 28 de novembro a 02 de dezembro de 2004
AVALIAÇÃO ELETROQUÍMICA E MECÂNICA DE FIOS ORTODÔNTICOS DE NiTi EM FUNÇÃO DO TEMPO DE USO CLÍNICO
Britto, K.M.F.1, Martinelli, A. E2., 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 59078-970
[email protected]
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-
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.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Fios de níquel-titânio (Dental Morelli Ltda) do tipo superelástico na forma de arco, com seção
transversal circular de 0.014’’(0,35mm), 0.016’’(0,40 mm), 0.018’’(0,45 mm) e 0.020’’ (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
14
16
18
20
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
55.79
Titânio
43.98
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
< 0.001
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 4.10.2.1 e 4.10.2.2 da norma técnica NBR ISO 9001:1994/ ISO 13485:1996. A
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
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
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
Tensão (MPa)
a inicial.
600
500
400
300
200
100
0
s/u
1m
2m
3m
14
16
18
20
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)
400
s/u
300
1m
200
2m
100
3m
0
14
16
18
20
Diâmetro do fio
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
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.
Tabela 4: Dados sobre a histerese dos fios.
Sem uso
1 Mês
2 Meses
3 Meses
Fio
σ/
ε
σ/
ε
σ/
ε
σ/
ε
MPa
Resid
MPa
Resid
MPa
Resid
MPa
Resid
(%)
(%)
(%)
(%)
397 ±31
0,60
561 ± 45
0,80
609 ± 36
0,40
542 ± 15
0,50
14
423 ± 5
0,86
558 ± 80
0,60
578 ± 60
0,50
533 ± 57
0,70
16
475 ±15
0,85
659 ± 13
0,50
585 ± 16
0,65
579 ± 69
0,75
18
488 ± 6
0,50
498 ± 50
0,60
475 ± 33
0,50
522 ± 15
0,25
20
* 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)
(6c)
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 )
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.
2000
1800
1600
1600
1400
1200
1200
1000
800
800
E(mV)
E(mV)
600
400
400
200
0
0
-200
-400
-400
-600
-800
-800
-1000
-1200
-1200
-1600
-900
-750
-600
-450
-300
-150
0
150
300
-1400
-1000
450
-800
-600
I(uA)
-400
-200
0
I(uA)
1600
1400
1200
1000
800
600
E(mV)
400
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200
-1400
-1600
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
I(uA)
Figura 7 – Curva voltamétrica para o fio NiTi em saliva artificial com pH: a) 2, b) 4 e c) 6.
200
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
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orthodontics. J Am Dent. Assoc 1971;82:1373-1375.
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Dent Res 1989;68:386 (abstract)
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Hysteresis Damping Characteristics of Shape Memory Alloy Wires.” Journal of Intelligent Material
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17. NBR ISO 9001:1994 – item 4.10
18. ISO 13485:1996 – item 4.10
19. 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.