Entwicklung eines Protokolls zur Bewertung des korrosionsbedingten Massenverlusts von reinem Kupfer, einer Ag-Cu-Pd- und einer Cu-Al- Dentallegierung während elektrochemischer Korrosionsmessungen mithilfe des Mini-Cell-Systems

Abstract

Einleitung: Die Verwendung kupferhaltiger Dentallegierungen ist kritisch zu betrachten, denn sie geben nachweislich Cu-Ionen in die orale Umgebung ab. In erhöhten Mengen können freie Cu-Ionen zelltoxisch wirken und pathologische Prozesse begünstigen. Anliegen dieser Arbeit war es, ein Protokoll zur Bewertung der korrosionsbedingten Freisetzung von Cu-Ionen während elektrochemischer Korrosionsmessungen am Beispiel von Kupfer und zwei kupferhaltigen Dentallegierungen zu erstellen und zu überprüfen. Hierbei sollte verifiziert werden, ob sich das Mini-Cell-System (MCS) zur Evaluation des korrosionsbedingten Massenverlusts eignet. Material und Methoden: Reines Cu, eine Ag-Cu-Pd- und Cu-Al-Dentallegierung wurden mithilfe des Mini-Cell- Systems bei unterschiedlichen Potentialen polarisiert. Zu dieser elektrochemischen Charakterisierung der Untersuchungsmaterialen erfolgte in programmierter Abfolge die Aufnahme des Ruhepotentials (EOCP [V] vs. SCE), der halblogarithmischen I-E-Diagramme aus der zyklischen Voltammetrie (CV) sowie der I-t-Kurven aus den potentiostatischen Polarisationen. Anhand des Faraday- Gesetzes sollte über die transportierte Ladungsmenge Q der elektrochemischen Messung auf den korrosionsbedingten Massenverlust geschlossen werden. Zur Gegenüberstellung des berechneten Massenverlusts mithilfe der Ladungsmenge wurde eine Lösungsanalyse in Form einer ICP-MS-Elementaranalyse des in der MCS-Analytik verwendeten Elektrolyten herangezogen. Mögliche Korrosionslöcher und Ablagerungen unlöslicher Produkte wurden durch eine Analyse der Oberflächenstruktur mit dem InfiniteFocus (Alicona) ermittelt. Die EDX-Analyse identifizierte die elementare Zusammensetzung der Oberfläche vor und nach der elektrochemischen Analyse. Ergebnisse: Bei der Untersuchung am Reinstkupfer konnte die theoretische Massenkonzentration der im Kontaktbereich zwischen Metalloberfläche und Elektrolyten bewegten Ionen direkt über das Faraday- Gesetz berechnet werden. Es wurde gezeigt, dass sich große Mengen Cu-Ionen während der elektrochemischen Messung korrosionsbedingt von der Oberfläche lösen. Die tatsächliche Konzentration freier Cu-Ionen im Elektrolyten, bestimmt mit der ICP-MS, lag nach den Polarisationen unterhalb der berechneten Massenkonzentration. Mithilfe des InfiniteFocus und der EDX-Analyse konnte ein großer Teil der Ionen in gebundener und unlöslicher Form auf der Oberfläche des Kupfers sowie der untersuchten Legierungen nachgewiesen werden. Bei den Legierungen sollten aus den Informationen der ICP-MS die Ladungen der in den Elektrolyten freigesetzten Elemente ermittelt werden, um sie mit den elektrochemischen Ergebnissen des MCS vergleichen zu können, sodass differenzierte Aussagen bezüglich des korrosionsbedingten Massenverlusts möglich sind. Es empfiehlt sich die zyklische Voltammetrie den potentiostatischen Polarisationen voranzustellen. Schlussfolgerung: Das in dieser Arbeit entwickelte Protokoll ist für die Bewertung des korrosionsbedingten Massenverlusts geeignet. Mithilfe des Mini-Cell-Systems und in Kombination mit einer Lösungs- und Oberflächenanalytik kann eine Einschätzung getroffen werden, wie viele Ionen korrosionsbedingt während der elektrochemischen Untersuchung frei werden.

Introduction: The use of copper-containing dental alloys has to be assessed critically, since they verifiably expose Cu-ions into the oral environment. In increased amounts, free Cu-ions may have a cytotoxic impact which favors pathological processes. The aim of this study was to develop a protocol for evaluation the exposition of free Cu-ions because of corrosion as the example of copper and two copper-containing alloys during electrochemical measurements. Material and methods: Pure Cu, an Ag-Cu-Pd and Cu-Al alloy were polarized by using the Mini-Cell-System at various potentials. In a programmed sequence, the open circuit potential (EOCP [V] vs. SCE), the cyclic voltammetry and potentiostatic polarizations were performed. On the basis of Faraday’s Law, it was possible to conclude on the transported charge quantity Q upon the corrosion-induced mass loss. In order to compare the theoretically calculated mass loss, an ICP-MS-elementary analysis of the applied electrolytes in the MCS-analysis was used. Potential corrosion holes and deposits of insoluble substances were detected by applying the InfiniteFocus (Alicona). The EDX-analysis identified the structure of the surface before and after the electrochemical analysis. Results: In the test with the pure copper, the theoretical mass concentration of the ions moved in contact area between the metal surface and the electrolytes could be calculated directly by means of Faraday’s Law. Substantial quantities of free Cu-ions were detected in the elementary analysis of the ICP-MS. Subsequent to the polarizations, the actual rate of release of free Cu-ions was found to remain below the theoretically calculated mass concentration. The InfiniteFocus and the EDX-analysis resulted in a large proportion of the ions in bound and insoluble form upon the surface of copper and also the copper-containing alloys. In the case of the alloys, the charge of the released elements in the electrolyte was supposed to be extracted from the information of the ICP-MS, in order to be able to compare them to the electrochemical results thereafter. It is recommend to put the cyclic voltammetry before the potentiostatic polarization. Conclusion: The protocol can evaluate the corrosion-induced mass loss. By means of the Mini- Cell-System and the combination of a solution and surface analysis provides a comprehensive assessment as to how many ions will released from dental alloys of corrosive processes during electrochemical measurements.