implantaten und Aufbau - BEGO

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4 Originalia – Werkstoffkunde Tab. 2 Metall-Paarung Implantat mit Tab. 3 Beträge der Kurzschlussstromdichten in nA/cm 2 Metall-Paarung Implantat mit NaCl-Lösung in beiden Halbelementen [nA/cm 2 ] kleinster Wert größter Wert Mittelwert NaCl-Lösung und Milchsäurelösung [nA/cm 2 ] kleinster Wert größter Wert Mittelwert Gold- 7 128 57,8 24 472 177,2 Legierung Titan-Aufbau 44 160 61,1 10 216 102,4 CoCrMo-Legierung Potenzialunterschiede der verschiedenen Kombinationen Implantat/Aufbau in mV NaCl-Lösung in beiden Halbelementen Implantat in NaCl-Lösung und Aufbau in Milchsäurelösung + Aufbau bildet die Kathode/ – Aufbau bildet die Anode [mV] kleinster Wert größter Wert Mittelwert kleinster Wert größter Wert 1,9 6,1 3,1 3,6 5,4 2,9 Mittelwert Gold-Legierung –230 +95 –81 –290 +139 –30 Titan-Aufbau –290 +180 –18 –460 –38 –219 CoCrMo- Legierung +106 +129 +120 –75 +113 +37 Flow A1, VOCO, Cuxhaven) abgedeckt. Die Abb. 1 zeigt ein Implantat und Abb. 2 einen CoCr-Aufbau mit der abgedichteten Verbindungsstelle. Zur Untersuchung wurden 2 Reagenzgläser nach Abb. 3 aufgebaut. Die Reagenzgläser wurden mithilfe von Parafilm luftdicht verschlossen, um ein Verdunsten zu verhindern. Eine Salzbrücke verbindet die beiden Gefäße, den Mindestquerschnitt von ca. 0,5 mm² sichert ein in dem Brückenschlauch befindlicher Woll faden. Das Implantat befindet sich in physiologischer NaCl-Lösung mit einem pH-Wert von 6,0. Die NaCl-Lösung soll das Milieu im Knochen- bzw. Hautgewebe imitieren. Für die Aufbauten fanden 2 verschiedene Lösungen Verwendung: zunächst ebenfalls physiologische NaCl-Lösung, zum anderen dieselbe Lösung mit einem Zusatz von Milchsäure, wodurch der pH-Wert von 6,0 auf 2,3 gesenkt wurde. Dadurch wird die Situation nachgeahmt, bei der in der Plaque durch anaeroben Abbau von Zuckern der pH-Wert absinkt. In einem galvanischen Element lösen sich aus der Anode Metallionen, bei einer elektrisch leitenden Verbindung zur Kathode entsteht ein elektrischer Strom. Der fließende Strom in der galvanischen Zelle stellt ein Maß für die Korrosion dar. Da eine größere Oberfläche einen stärkeren Elektronenfluss möglich macht als eine kleinere, ist es sinnvoll den Strom auf die Oberfläche zu beziehen. Die maximale Korrosionsgeschwindigkeit tritt bei maximalem Stromfluss, d.h. bei Kurzschluss, auf. Deshalb wird der Stromfluss, verursacht durch das Spannungspotenzial des galvanischen Elements, bei verschiedenen Verbraucherwiderständen gemessen. Abb. 4 zeigt das Ersatzschaltbild der Versuchsanordnung mit dem inneren Widerstand R i , dem Lastwiderstand R L und dem Voltmeter. Zunächst wurde die Spannung nach Entfernen von R L nach 24 h gemessen, sodass nur noch der Innenwiderstand des Voltmeters (Röhrenvoltmeter der Genauigkeitsklasse 0,5% mit 1 Volt Schreiberausgang der Firma Colora Messtechnik GmbH, Berlin, R i > 100 GΩ) gegeben war. Dann folgten nach weiteren 24 h unter der Last 3 MΩ und abschließend ebenfalls nach 24 h unter der Last 1 MΩ (Metallfilmwiderstände der Genauigkeitsklasse 1%, Belastbarkeit 0,125 Watt) weitere Messungen. Innerhalb dieser Zeiten stellten sich stabile Spannungswerte ein, die mit einem xt-Schreiber (Siemens Kompensograph X-T C1011) dokumentiert wurden. Korrosionsstrommessungen können nach Heitz et al. (1990) als Spannungsmessungen an ohmschen Widerständen durchgeführt werden [2]. Mit dieser Methode kann man Kurzschlussströme in galvanischen Elementen jedoch nicht bestimmen, da dafür die Spannung an einem Widerstandswert von 0 Ω gemessen werden müsste, was natürlich unmöglich ist. Deswegen wurde durch lineare Extrapolation der Spannung-Strom-Kennlinie für eine Spannung von 0 Volt (Kurzschluss) der „Kurzschlussstrom“ berechnet. Diese Methode setzt zwar einen ohmschen Innenwiderstand des galvanischen Elements voraus (Abb. 4), stellt aber für kleinere Abweichungen der Stromquelle vom ohmschen Gesetz immer noch eine gute Näherung dar. Eine Alternative wäre die Verwendung eines Potentiostaten, mit dem der Innenwiderstand des Strommessers elektronisch kompensiert werden kann. Bei Messungen mit dem Aufbau in der NaCl- Milchsäurelösung wurde der pH-Wert im Gefäß des Implantates durch Diffusion über die Salzbrücke beeinflusst, er lag nach der Messung zwischen 4 und 3,5. Für den pH-Wert der Milchsäurelösung wurde keine Änderung nachgewiesen. Als Beispiel ist die Auswertung der Messungen bei der Paarung Implantat/CoCr-Legierung in Abb. 5 dargestellt. Für jedes der 3 Aufbaumaterialen wurden 4 Paare vermessen. Ergebnisse und Diskussion Die Potenzialunterschiede für das unbelastete galvanische Element sind in Tab. 2 dargestellt. Bei positivem Vorzeichen bildete das Implantat die Anode, bei negativem Vorzeichen der Aufbau. ZWR ̶ Das Deutsche Zahnärzteblatt 2008; 117 (10)
Originalia – Werkstoffkunde 5 Die Korrosion und auch eine mögliche biologische Wirkung eines galvanischen Elements hängen von der Menge der pro Zeiteinheit in Lösung gehenden Metallionen ab. Diese wird nicht vom Potenzialunterschied, sondern durch den Kurzschlussstrom bestimmt, sodass im Folgenden die berechneten Kurzschlussstromdichten anhand der in Tab. 3 dargestellten Werte diskutiert werden. Die geringste Stromdichte wurde sowohl bei der Salzlösung als auch bei der Korrosionslösung zwischen dem Titan-Implantat und dem CoCr-Aufbau festgestellt. Offensichtlich hat der pH-Wert auf die Korrosion der CoCr-Legierung im Gegensatz zu den anderen Aufbaumaterialien keinen nennenswerten Einfluss. Kulmburg (2006) berichtet, dass Korrosionsströme der Paarung Reintitan-CoCrMoNb um den Faktor 10 bis 100 kleiner ausfallen als die Paarung Reintitan/hochgoldhaltige Legierung, was mit den Ergebnissen unserer Messungen gut übereinstimmt [4]. Der unerwartete Potenzialunterschied und der Stromfluss zwischen dem Titan-Implantat und dem Titan-Aufbau lassen sich vermutlich auf Unterschiede im Metallgefüge zurückführen. So sind sowohl die Oberfläche des Aufbaus als auch die des Implantates gestrahlt und damit nicht mehr homogen, da das Strahlen eine gewisse Druckspannung in der Metalloberfläche erzeugt [3]. Mechanische Spannungen können prinzipiell das Korrosionsverhalten von Metallen verändern, in der Regel weisen die verformten Gebiete eine höhere Korrosionsanfälligkeit auf [1]. Für Inhomogenitäten spricht auch, dass die Titan-Aufbauten sowohl edler als auch unedler als die Implantatoberflächen in der NaCl- Lösung bei einem pH-Wert von 6,0 reagiert haben. Erst bei einem niedrigeren pH-Wert nach Milchsäurezusatz reagierten die Titan-Aufbauten einheitlich unedler. Das Material des Co- CrMo-Aufbaus ist weitaus härter als das des Titan-Aufbaus. Messungen mit einem Vickers- Härteprüfgerät (CV-400DAT, CV-Instruments, Maastricht, Niederlande) ergaben unter 500 g Last Werte von 420 +/– 10 HV bzw. 320 +/– 10 HV. Es könnte sein, dass der CoCrMo-Aufbau wegen seiner höheren Härte beim Strahlen weniger in seiner Oberfläche verändert worden ist als die weichere Titan-Oberfläche und so die Streuung der Messwerte für diesen Legierungstyp kleiner ist. Bezüglich der Korrosionsströme ist in unserer Untersuchung die Paarung Titanimplantat mit dem CoCrMo-Aufbau die günstigste Kombination. Die gestrahlte Oberfläche der CoCrMo-Legierung hat ebenso wie in der Untersuchung von Kulmburg an einer CoCrMoNb-Legierung edler reagiert als die Titan-Oberfläche des Implantats. Nur für den Fall des niedrigeren pH- Abb. 1 Implantat mit abgedichteter Verbindungsstelle. Abb. 3 Die Halbelemente wurden mittels einer Salzbrücke zu einem galvanischen Element verbunden. Als Salzbrücke diente ein Kunststoffschlauch, der mit einem Wollfaden durchzogen war. (Der Schlauch wurde in der Mitte durch eine Fadenschlinge verengt, um den Ionenaustausch zu verlangsamen. Die Schlauchverbindung war mit der NaCl-Lösung und bei der Untersuchung der Aufbauten in Korrosionslösung hälftig mit NaCl- Lösung und Korrosionslösung gefüllt.) Wertes in der NaCl-Milchsäurelösung reagierte der Aufbau in einem von 4 Versuchen unedler. Insgesamt gesehen sind alle von uns gefundenen Stromdichten deutlich kleiner als die von Kulmburg (1986) mitgeteilten Werte für die Paarungen Gold-Legierung/CoCr-Legierung und Gold-Legierung/NiCr-Legierung, für die er Werte in Höhe von 100 bis 1000 nA/cm² gefunden hat [5]. Sie sind auch kleiner als die von Taher und Al Jabab (2003) ermittelten Werte in Höhe von 10 bis 30 nA/cm² für die Paarung Titan/CoCr-Gusslegierung, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass wir es nicht mit einer vergossenen CoCr-Legierung, sondern laut Herstellerangabe mit einer homogenen industriell vorgefertigten Legierung zu tun hatten [6]. Weitgehende Übereinstimmung besteht mit den Werten von Venugopalan et al. (1998), die für die Paarung Titan/CoCrMo Ströme von 1–3 nA/cm² und für Titan/Hochgold-Legierung 66–154 nA/cm² angegeben haben [7]. Überraschen mag, dass die vergossene Gold- Legierung unedler reagierte als die Oberfläche Abb. 2 CoCr-Implantataufbau mit abgedichteter Verbindungsstelle. Abb. 4 Ersatzschaltbild für das untersuchte galvanische Element Implantat/Aufbau im verwendeten Versuchsbaufbau. U o und R i bilden das Element nach, R L ist der Lastwiderstand. Mit dem extrem hochohmigen (R>100 GΩ) Voltmeter V wird die Spannung an R L gemessen. ZWR ̶ Das Deutsche Zahnärzteblatt 2008; 117 (10)
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