In vitro study of the release of cobalt ions from Co-Cr biomedical metal alloys

Abstract

Introdução: Ligas metálicas de cobalto-cromo, compostas maioritariamente por cobalto (63%) e cromo (30%), na cavidade oral, estão sujeitas a fenómenos corrosivos e de desgaste; com consequente libertação de iões metálicos para o meio. Recentemente, o cobalto foi classificado como uma substância carcinogénica 1B, mutagénica 2 e tóxica para a reprodução 1B. O presente estudo in vitro tem como objetivo fazer um estudo comparativo entre os iões de cobalto libertados por ligas metálicas de Co-Cr, preparadas por fundição e selective laser melting (SLM) em meio oral simulado a diferentes pH.Materiais e métodos: Dezasseis amostras de ligas de cobalto-cromo SLM Remanium® Star CL da Dentaurum e dezasseis amostras de ligas de fundição Biosil® F da DeguDent de formato cilíndrico, com 3 mm de altura e 10 mm de diâmetro foram utilizadas neste estudo. As amostras metálicas foram lavadas com água destilada e álcool 96%, secas e pesadas numa balança de alta precisão antes e depois de 28 dias de teste. As ligas foram divididas em quatro grupos e imersas em diferentes meios (água destilada e saliva artificial com pH 4,0, 6,8 e 8,0). Os valores de pH foram medidos com um medidor de pH Radiometer PHM 240 e um elétrodo de pH, calibrado com soluções tampão de pH 4,0; 6,9 e 10,0. As medições de pH (4,0; 6,8 e 8,0) foram realizadas a 310.15K. Os tubos com as ligas metálicas imersas no meio correspondente a cada grupo foram colocados numa incubadora a 310.15K e agitação de 170 rotações por minuto. Aos 3 e 28 dias, 5 ml de meio foram coletados aleatoriamente e submetidos à análise em espectrometria de massa com plasma de emissão ótica e indutivamente acoplado. Resultados e conclusões: No que concerne à análise da variação da massa, todos os grupos, exceto o grupo controlo, em que as ligas obtidas por fundição foram submersas em água destilada (p=0,054), apresentaram ganhos de massa estatisticamente significativos, devido à formação de filmes passivantes à sua superfície. Quanto à libertação dos iões de cobalto, os resultados obtidos foram de encontro aos observados noutros estudos semelhantes, em que as ligas fundidas apresentam uma considerável maior libertação de iões, relativamente às ligas SLM e que se acentua ainda a pH ácido. Embora o cobalto seja um micronutriente essencial para o funcionamento do corpo humano, a sua libertação excessiva na cavidade oral pode causar efeitos adversos tais como reações de hipersensibilidade e alterações citotóxicas. Pelos resultados obtidos neste estudo a utilização de dispositivos protéticos obtidos por Selective Laser Melting deve ser preferencial uma vez que liberta menor quantidade de iões de cobalto que as ligas de Co-Cr fundidas.

Introduction: Cobalt-chromium metal alloys are mainly composed of cobalt (63%) and chromium (30%), in the oral cavity, prosthetic devices are subject to corrosive and wear phenomena; with consequent release of metal ions into the medium. Recently, cobalt has been classified as a 1B carcinogen, 2 mutagen and 1B reproductive toxicant. The present in vitro study aims to carry out a comparative study between cobalt ions released by Co-Cr metal alloys, prepared by casting and selective laser melting (SLM) in a simulated oral environment with different pH.Materials and Methods: Sixteen samples of SLM Remanium® Star CL cobalt-chromium alloys from Dentaurum and sixteen samples of Biosil® F casting alloys from DeguDent with a cylindrical shape, 3 mm in height and 10 mm in diameter were used in this study. The metal samples were washed with distilled water and 96% alcohol, dried and weighed on a high-precision balance before and after 28 days of testing. The alloys were divided into four groups and immersed in different media (distilled water and artificial saliva with pH 4.0, 6.8 and 8.0). pH values were measured with a Radiometer PHM 240 pH meter and a pH electrode, calibrated with buffer solutions of pH 4.0, 6.9 and 10.0. pH measurements (4.0, 6.8 and 8.0) were carried out at 310.15K. The tubes with the metal alloys immersed in the medium corresponding to each group were placed in an incubator at 310.15K and shaking at 170 rotations per minute. At 3 and 28 days, 5 ml of medium were collected randomly and subjected to analysis in inductively coupled plasma optical emission and plasma mass spectrometry.Results and conclusions: Regarding the analysis of mass variation, all groups, except the control group, in which the alloys obtained by casting were submerged in distilled water (p=0.054), showed statistically significant mass gains, due to the formation of passivating films on its surface. Regarding the release of cobalt ions, the results obtained were in line with those found in other similar studies in which the cast alloys present a considerably greater release of ions, compared to the SLM alloys, and this is even more accentuated at acidic pH. Although cobalt is an essential micronutrient for the functioning of the human body, its excessive release in the oral cavity can cause adverse effects such as hypersensitivity reactions and cytotoxic changes. Based on the results obtained in this study, the use of prosthetic devices obtained by Selective Laser Melting should be preferred as they release fewer cobalt ions than casting Co-Cr alloys.