Metal ion release during orthodontic treatment: an in vivo and in vitro studies

Trabalho de Projeto do Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica apresentado à Faculdade de Ciências e TecnologiaOs aços inoxidáveis e as ligas Nitinol são os materiais metálicos de eleição no fabrico de aparelhos ortodônticos fixos, devendo a sua preferência à boa resposta do binómio propriedades mecânicas - resistência à corrosão. Embora comumente aceites como ligas biocompatíveis, esta propriedade pode ficar comprometida, devido ao impacto do constituinte fluído da cavidade oral, a saliva, nestes biomateriais. A rutura da camada passiva de óxidos formada à superfície das bioligas metálicas, expande no tempo a libertação dos produtos de corrosão, podendo conduzir a reações locais e sistémicas. Torna-se, assim, essencial estudar os fenómenos de corrosão que ocorrem em peças que compõe o aparelho fixo e a consequente libertação de iões metálicos no decorrer do tratamento ortodôntico.Para tal, dividiu-se o trabalho em dois grandes grupos: o estudo in vivo e o in vitro.No primeiro caso, avaliou-se a concentração de iões Ni, Cr e Fe na saliva de uma amostra constituída por 17 pacientes, durante diferentes períodos de tratamento ortodôntico, nomeadamente antes da colocação, 2 dias após o início do tratamento e 1, 4 e 12 semanas após a colocação do aparelho. Na segunda parte do estudo, as várias peças que compõe o aparelho fixo, como brackets, bandas, tubos, ligaduras e fios, foram colocadas em saliva artificial com dois valores de pH (2,3 e 6,7) durante 30 dias. As concentrações in vivo obtidas, por recurso a Espectrometria de Emissão Ótica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES), mostram que não existem diferenças significativas ao longo das fases de tratamento, registando-se um ligeiro aumento dos níveis em Ni e em Cr após quatro semanas da colocação do aparelho. Os maiores níveis de libertação foram obtidos para o Fe que atinge o seu máximo uma semana após o início do tratamento. No estudo in vitro verificou-se uma evidente promoção da corrosão dos metais em pH mais ácido, observando-se ainda que, de todas as peças, os brackets foram aqueles que libertaram maior teor em iões metálicos como consequência da menor resistência à corrosão.A caracterização efetuada por Microscopia Eletrónica de Varrimento acoplada a Espectrometria de raios X de Energia Dispersiva (SEM/EDS) permitiu avaliar as alterações morfológicas e químicas da superfície das ligas metálicas, tendo sido identificados sinais de corrosão. A formação de biofilme à superfície das ligas metálicas, identificada por SEM/EDS, ao alterar as características funcionais destes materiais, poderá, também, contribuir para a intensificação do processo de biocorrosão. Todavia, os teores de iões metálicos determinados neste trabalho encontraram-se abaixo dos limites de ingestão diária (100-800 μg/dia para o Ni, 50-280 μg/dia para o Cr e 10-50 mg/dia para o Fe) não representando perigo para a saúde humana. É necessário, no entanto, continuar a vigiar de perto os efeitos da corrosão nos aparelhos fixos, especialmente em indivíduos com hipersensibilidade aos iões metálicos.Stainless steel and NiTi alloys have been widely used in fixed orthodontic appliances, and their election is due to their good mechanical properties, such as their elasticity, and mechanical and corrosion resistance. The biocompatibility of the materials is one of the main criteria to enable clinical application and it is particularly important when we are referring to the orthodontic components, as they are placed in the oral cavity, a potentially corrosive environment. One of the limitations of the use of metallic materials in fixed appliances is their inevitable corrosion through time and the consequent release of metals. Therefore, it is essential to study the corrosion phenomena that occur in the orthodontic appliance and the metal ions released during the treatment.For this, the present work was divided into two parts: the in vivo and the in vitro studies.In the in vivo study the metal ions concentrations, namely Ni, Cr, and Fe, present in the saliva of 17 patients were assessed during different time points of the orthodontic treatment, before the placement, 2 days after starting the treatment, and 1, 4 and 12 weeks after the placement of the fixed appliance. On the other hand, in the in vitro study, the various components of the fixed appliance, such as brackets, bands, tubes, ligatures, and wires, were placed in artificial saliva at two different pH(2.3 and 6.7) for 30 days.In vivo concentrations obtained by Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometry (ICP-OES) show that there are no significant differences throughout the different time points of the treatment, exhibiting a slight increase in Ni and Cr levels 4 weeks after the insertion of the appliance. For Fe, the highest levels were obtained one week after the beginning of the treatment. In the in vitro study, there were evident signs that an acidic environment enhances the corrosion of metallic materials. It was also observed that of all the pieces, the brackets were those that released more metallic ions as a consequence of the lower resistance to corrosion phenomena.The characterization carried out by Scanning Electron Microscopy coupled to X-ray Dispersive Energy Spectrometry (SEM / EDS) allowed the evaluation of the morphological and chemical alterations of the surface of the metal alloys and the identification of signs of corrosion. The biofilm formation on the surface of the metal alloys, identified by SEM / EDS, may alter the functional characteristics of these materials and may also contribute to the intensification of the biocorrosion process.However, the Ni, Cr, and Fe concentrations were never comparable to dietary amounts (100-800 μg/day for Ni, 50-280 μg/day for Cr and 10-50 mg/day for Fe), never reaching toxic thresholds. However, it is necessary to monitor the effects of corrosion on fixed appliances, to make sure that the most vulnerable patients are protected