Elementary characterization of metal alloys in dental implants

An ideal biomaterial for dental implants must have very high biocompatibility, which means that such materials should not provoke any serious adverse tissue response. Also, used metal alloys must have high fatigue resistance due the masticatory force and good corrosion resistance. These properties are rendered by using alpha and beta stabilizers, such as Al, V, Ni, Fe, Cr, Cu, Zn. Commercially pure titanium (TiCP) is used often for dental and orthopedic implants manufacturing. However, sometimes other alloys are employed and consequently it is essential to research the chemical elements present in those alloys that could bring prejudice for the health. Present work investigated TiCP metal alloys used for dental implant manufacturing and evaluated the presence of stabilizing elements within existing limits and standards for such materials. For alloy characterization and identification of stabilizing elements it was used EDXRF technique. This method allows to perform qualitative and quantitative analysis of the materials using the spectra of the characteristic X-rays emitted by the elements present in the metal samples. The experimental setup was based on two X- rays tubes (AMPTEK Mini X model with Ag and Au targets), a X-123SDD detector (AMPTEK) and a 0.5mm Cu collimator, developed due to the sample characteristics. The other experimental setup used as a complementary technique is composed of an X-ray tube with a Mo target, collimator 0.65mm and XFlash (SDD) detector - ARTAX 200 (BRUKER). Other method for elemental characterization by energy dispersive spectroscopy (EDS) applied in present work was based on Scanning Electron Microscopy (SEM) EVO® (Zeeis). This method also was used to evaluate the surface microstructure of the sample. The percentual of Ti obtained in the elementary characterization was among 93.35 ± 0.17% and 95.34 ± 0.19 %. These values are considered below the reference limit of 98.635% to 99.5% for TiCP, established by Association of metals centric materials engineers and scientists Society (ASM). The presence of elements Al and V in all samples also contributed to underpin the fact that are not TiCP implants. The values for Al vary between 6.3 ± 1.3% and 3.7 ± 2.0% and for V, between 0.26 ± 0.09% and 0.112 ± 0.048%. According to the American Society for Testing and Materials (ASTM), these elements should not be present in TiCP and in accordance with the National Institute of Standards and Technology (NIST), the presence of Al should be <0.01% and V should be of 0.009 ± 0.001%. Obtained results showed that implant materials are not exactly TiCP but, were manufactured using Ti-Al-V alloy, which contained Fe, Ni, Cu and Zn. The quantitative analysis and elementary characterization of experimental results shows that the best accuracy and precision were reached with X-Ray tube with Au target and collimator of 0.5 mm. Use of technique of EDS confirmed the results of EDXRF for Ti-Al-V alloy. Evaluating the surface microstructure by SEM of the implants, it was possible to infer that ten of the thirteen studied samples are contemporaneous, rough surface and three with machined surface.CAPESUm biomaterial ideal para implantes dentários deve ter elevada biocompatibilidade e não provocar qualquer resposta adversa séria nos tecidos. Além disso, as ligas metálicas usadas precisam ser resistentes à fadiga devido às forças da mastigação e ser resistentes à corrosão. Estas características são conferidas as ligas metálicas pela adição dos elementos estabilizadores de fase como Al, V, Ni, Fe, Cu, Cr, Zn. O titânio comercialmente puro (TiCP) é o material mais indicado para fabricação de implantes dentários e ortopédicos. No entanto, outras ligas metálicas são utilizadas e há, portanto, a necessidade de investigar o tipo de elemento presente nestas e os possíveis riscos à saúde. O presente trabalho investigou os implantes comercializados como TiCP e a presença de elementos estabilizadores dentro ou fora dos limites esperados para estes materiais. Para a caracterização elementar foi utilizada técnica de EDXRF, a qual permite resultados quali- quantitativos. Um dos arranjos experimentais utilizado possui dois tubos de raios X modelo Mini-X com alvo de Au e Ag e detector X-123SDD (AMPTEK) e um colimador de Cu com 0,5mm de diâmetro, desenvolvido devido às características das amostras. O outro sistema de EDXRF é composto por um tubo de raios X com alvo de Mo, colimador de 0,65mm e um detector XFlash (SDD), o ARTAX 200 (BRUKER). O outro método de caracterização elementar, a espectroscopia de energia dispersiva (EDS), foi usada em conjunto com a Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) da marca EVO® (Zeeis), a qual serviu para avaliar a microestrurura de superfície dos implantes. O percentual de Ti obtido na caracterização elementar foi entre 93,35 ± 0,17% e 95,34 ± 0,19 %. Estes valores são considerados abaixo do limite de referência de 98,635% a 99,5% para o TiCP, segundo a Association of metals centric materials engineers and scientists Society (ASM). A presença de Al e V em todas as amostras também contribuiu para respaldar o fato de não serem implantes de TiCP. Os valores para o Al ficaram entre 6,3 ± 1,3% e 3,7 ± 2,0% e para o V entre 0,26 ± 0,09% e 0,112 ± 0,048%. Segundo a American Society for Testing and Materials (ASTM) estes elementos não devem estar presentes no TiCP e de acordo com o National Institute of Standards and Technology (NIST), a presença do Al deve ser < 0,01% e do V de 0,009 ± 0,001%. Como resultado, todos os implantes analisados são de uma liga de Ti- Al-V com adição de Fe, Ni, Cu e Zn. A análise qualitativa e caracterização para as medições com os diferentes tubos mostrou melhor eficácia com o uso do tubo de Au e colimador de 0,5 mm. O uso da técnica da EDS confirmou os resultados da EDXRF para uma liga de Ti-Al-V. E com o uso do MEV na análise da microestrutura dos implantes, foi possível inferir que dos 13 implantes, 10 possuem superfície rugosa, são contemporâneos e três possuem a superfície usinada