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Artigo inédito

Biodegradação de braquetes ortodônticos: análise por microscopia eletrônica de varredura Luciane Macedo de Menezes*, Rodrigo Matos de Souza**, Gabriel Schmidt Dolci**, Berenice Anina Dedavid***

Resumo Objetivo: analisar, por meio de microscopia eletrônica de varredura, as alterações químicas

e estruturais de braquetes metálicos submetidos a um processo de biodegradação in vitro. Métodos: a amostra foi dividida em dois grupos, de acordo com a marca comercial dos acessórios, sendo Grupo A = Dyna-Lock, 3M/Unitek (AISI 303) e Grupo B = LG Edgewise Standard, American Orthodontics (AISI 316L). Os corpos de prova, aparelhos ortodônticos simulados, permaneceram imersos em solução salina (0,05%) por um período de 60 dias, a 37ºC, sob agitação. As alterações decorrentes da exposição dos acessórios à solução salina foram investigadas através da microscopia eletrônica de varredura e análise da composição química (EDX); realizadas antes e após o período de imersão (T0 e T5, respectivamente). Resultados: os resultados indicaram, em T5, formação de produtos de corrosão sobre a superfície dos braquetes, especialmente no Grupo A. Além disso, houve alterações na composição da liga metálica dos braquetes de ambos os grupos, sendo que, no Grupo A, houve redução dos íons ferro e cromo e, no Grupo B, redução de íons cromo. Conclusão: de acordo com os resultados obtidos neste experimento, pode-se concluir que os acessórios do Grupo A apresentaram-se menos resistentes à biodegradação in vitro, o que poderia estar associado ao tipo de aço utilizado na sua fabricação (AISI 303). Palavras-chave: Corrosão. Biocompatibilidade. Braquetes ortodônticos. Níquel.

INTRODUÇÃO Nos últimos 20 anos, a biocompatibilidade das ligas odontológicas tem sido produto de muitas pesquisas. Entretanto, os estudos nessa área têm gerado muitas questões sem respostas, confirmando a necessidade de se aprender muito mais sobre a biocompatibilidade desses materiais. Devido a esse processo não ser totalmente esclarecido, há certa dificuldade por parte dos ortodontistas em escolher uma liga que seja segura biologicamente para seus pacientes.

Tem se tornado cada vez mais frequente a ocorrência de hipersensibilidade causada pelo níquel presente nas ligas de aço inoxidável, amplamente utilizadas no tratamento ortodôntico4,20. Braquetes, bandas e fios ortodônticos são universalmente confeccionados a partir dessa liga, que contém aproximadamente 6 a 12% de níquel e 15 a 22% de cromo24. Além da alergenicidade, efeitos carcinogênicos, mutagênicos e citotóxicos têm sido atribuídos ao níquel e, em menor proporção, ao cromo.

* Doutora em Ortodontia pela UFRJ. Professora do Curso de Mestrado em Ortodontia da PUCRS. ** Mestre em Ortodontia e Ortopedia Facial pela PUCRS. *** Doutora em Engenharia, coordenadora do Centro de Microscopia e Microanálise da PUCRS.

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Visto os inúmeros fatores associados ao processo corrosivo e a suscetibilidade dos braquetes ortodônticos a esse processo, o objetivo do presente estudo é analisar, por meio de microscopia eletrônica de varredura, as alterações químicas e estruturais de braquetes metálicos de duas marcas comerciais submetidos a um processo de biodegradação in vitro.

Um dos fatores determinantes da biocompatibilidade das ligas metálicas usadas na Odontologia é a sua resistência à corrosão19,27. Contudo, apesar da alta resistência dos aços inoxidáveis austeníticos, principal liga usada na confecção de braquetes ortodônticos, diversos estudos têm evidenciado a corrosão desses acessórios3,9,13,16,18,28,29. O próprio processo de fabricação dos braquetes os expõe a fatores físicos e químicos que estimulam sua corrosão. Dentre eles, destacam-se: tratamento térmico12, soldas5 e agentes de polimento17. Macroscopicamente, a corrosão sofrida pelos braquetes é caracterizada por perda de brilho, descoloração e rugosidade superficial, frequentemente associados à deposição de produtos de corrosão30. Essas características, quando presentes, podem contribuir para o aumento da resistência friccional e interferir na mecânica utilizada, afetando o progresso do tratamento11. De acordo com Edie, Andreasen e Zaytoun7, a observação das características superficiais, a fim de se detectar produtos de corrosão, constitui-se no método mais direto para se avaliar o processo de biodegradação. Vale salientar que a análise visual das imagens microscópicas, metodologia usada neste estudo para avaliar a homogeneidade da matriz metálica, é eficaz para tal aferição. Chappard et al.6 verificaram uma relação positiva entre índices de rugosidade medidos com profilometria de contato e análise da rugosidade por meio da microscopia eletrônica de varredura (MEV).

Grupo

MATERIAL E MÉTODOS Análise microscópica dos braquetes (MEV) Duas marcas comerciais de braquetes foram analisadas: Dyna-Lock Standard Edgewise (3M Unitek, Monrovia, CA, EUA) e LG Edgewise (American Orthodontics, Sheboygan, Wisconsin, EUA), sendo que cada marca constituiu um dos dois grupos experimentais estudados (Quadro 1). Para avaliação ao MEV (Philips XL30, Eindhoven, Holanda) foram selecionados aleatoriamente 70 braquetes, que foram avaliados em dois momentos: T0 (na condição “como recebidos”) e T5 (60 dias após a imersão dos acessórios em solução salina). Os corpos de prova que simulavam uma hemiarcada inferior foram constituídos de braquetes de incisivos (n = 2), caninos (n = 1) e pré-molares inferiores (n = 2). Para os molares (1º e 2º) foram usados braquetes de incisivos superiores, totalizando sete acessórios. Os braquetes foram amarrados a fios com ligadura elástica, sendo suas bases cobertas com cera nº 7. Esse procedimento serviu para evitar a corrosão de tal região e tornar

Braquetes n

Marca

Especificação

Tipo de aço

Composição química (% Max)

Observação

AISI 303

C=0,15%, Cr=17-19%, Ni=5,0-10%, Mn=2,0%, Si=1,0%, Fe=restante

Ausência de solda unindo o corpo à base

AISI 316L

C=0,030%, Cr=16-18%, Ni=10-14%, Mn=2,0%, Si=1,0%, Fe=restante

Presença de solda de prata unindo o corpo à base

a

140

3M/ Unitek

Dynalock, Edgewise Standard, Slot 0,022”

B

140

American Orthodontics

LG Edgewise Standard, Slot 0,022”

qUADrO 1 - Divisão dos grupos experimentais.

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2e) Inferior específica – observou-se duas regiões em cada braquete, a um aumento de 500x (regiões a e b) e 2.000x (região 2f). Em T0, avaliou-se qualitativamente as diferenças de acabamento superficial dos acessórios ortodônticos dos Grupos A e B. Após, foram comparadas as imagens obtidas inicialmente (T0) com aquelas obtidas após os acessórios terem permanecido 60 dias imersos em solução salina (T5). Todas as imagens foram avaliadas, de forma qualitativa, por um único examinador.

mais fácil a remoção do material da base do braquete após o período do experimento. Os corpos de prova foram imersos em tubos de ensaio que continham 10ml de solução aquosa salina (NaCl 0,05%, Departamento de Bioquímica da PUCRS) e submetidos a um processo de “envelhecimento químico-mecânico”. Eles permaneceram sob agitação por 8 horas diárias, com temperatura constante de 36±1ºC (Banho Dubnoff, Nova Técnica®), por um período de até 60 dias. Fotomicrografias foram realizadas nas mesmas regiões, dos mesmos braquetes, sob as mesmas magnificações, nos dois períodos (T0 e T5). Para análise ao MEV, os braquetes foram montados em stubs, e observados por um examinador. Registraram-se as seguintes imagens (Fig. 1): 1) Frontal geral – braquete em sua totalidade (50x de aumento). 1e) Frontal específica – observou-se duas regiões pré-determinadas em cada braquete: região a, na aleta oclusal/incisal esquerda, e região b, no slot do lado esquerdo (500x de aumento). 2) Inferior geral – braquete em sua totalidade (50x de aumento).

Análise da composição química dos braquetes Utilizou-se o EDX (Energy Dispersive XRay), recurso disponível no MEV para avaliar a composição química dos braquetes ortodônticos. As características de trabalho do MEV foram padronizadas. O EDX foi realizado em oito braquetes de cada grupo, nas superfícies vestibular e gengival das aletas (imagens frontal e inferior, respectivamente). Assim, foi possível quantificar e comparar os íons ferro, níquel e cromo

a b

1

a

1e

b

2f 2

2e

2f

FIGUrA 1 - 1) Imagem frontal geral: setas indicam as regiões a e b onde se realizaram imagens específicas a 500x de aumento. 1e) Imagem frontal específica. 2) Imagem inferior geral: setas indicam as regiões a e b onde se realizaram imagens específicas a 500x de aumento. 2e, 2f) Imagens inferiores específicas a 500x e 2.000x de aumento, respectivamente.

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Já a análise das imagens inferiores gerais e específicas indicou que as regiões afetadas com mais intensidade, no Grupo A, foram as bordas das aletas, especialmente o ângulo formado entre a aleta e a base do braquete. Nos braquetes do Grupo B, a região da solda, localizada entre a base e a aleta, foi a mais afetada pelo processo corrosivo (Fig. 4).

presentes nas ligas metálicas dos braquetes, antes (T0) e depois de permanecerem 60 dias imersos em solução salina (T5). Tratamento estatístico Os dados advindos da observação microscópica não foram tratados estatisticamente, pois eram informações qualitativas de comparação entre as imagens. Para o processamento dos dados referentes à análise da composição química dos braquetes, foi utilizado o software SPSS versão 10.0 (Chicago, IL, EUA). Comparou-se a média de íons ferro, níquel e cromo existente na liga metálica de braquetes na condição “como recebidos” (T0) e após permanecerem 60 dias imersos em solução salina (T5). Para análise intragrupos da diferença dos valores do EDX em T0 e T5, utilizou-se o teste não-paramétrico de Wilcoxon.

Análise da composição química dos braquetes Como observado nos gráficos 1 e 2, houve diferenças na composição da liga metálica dos braquetes antes (T0) e depois de terem permanecido 60 dias imersos em solução salina (T5). Os braquetes do Grupo A apresentaram uma redução da quantidade de ferro e cromo (p < 0,05). Já os braquetes do Grupo B apresentaram redução de íons cromo (p < 0,05). DISCUSSÃO Análise microscópica dos braquetes A homogeneidade superficial da liga metálica é um importante fator na prevenção da corrosão por pits e por frestas2,21. Superfícies rugosas, com inúmeras imperfeições, facilitam o processo corrosivo, além de aumentar a área de dissolução do metal2,15. Deve-se relembrar do papel do processo de fabricação dos braquetes sobre a resistência à corrosão dos mesmos. Os acessórios do Grupo A foram fabricados em uma única peça, por uma única liga metálica. Já os acessórios do Grupo B foram fabricados em duas peças (corpo e base), as quais são unidas por solda de prata. Segundo Maijer e Smith23, a solda usada para a confecção de braquetes parece ser um fator significativo na iniciação do processo corrosivo desses acessórios. Lee e Chang22, em 2001, verificaram que o aquecimento de fios ortodônticos (NiTi e Optimalloy) a 250ºF por 20 minutos leva a um aumento do número de pits e da corrosão dos mesmos.

RESULTADOS Análise microscópica dos braquetes A análise microscópica (MEV), em T0, indicou que os braquetes do Grupo A apresentavam melhor acabamento superficial do que os do Grupo B. Foram constatadas alterações nas superfícies dos braquetes após terem permanecido 60 dias imersos em solução salina (T5); sendo mais evidentes no Grupo A (Fig. 2). Nas imagens frontais, gerais e específicas (50 e 500x de aumento), foram identificados produtos de corrosão em ambos os grupos. Tais produtos apresentaram-se de maneiras distintas: puntiformes, em aglomerados e em camadas. Os braquetes do Grupo A apresentaram com mais frequência a formação de aglomerados e camadas, ou seja, a superfície desses acessórios apresentou-se mais alterada do que a superfície dos braquetes do Grupo B (Fig. 2, 3). O EDX realizado sobre os produtos de corrosão mostrou que eram compostos basicamente por ferro (48,82%), oxigênio (19,56%), cromo (17,9%) e níquel (4,73%).

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a

B

C

D

FIGUrA 2 - Vista geral (50x) dos braquetes do Grupo A em T0 (a) e T5 (B) e; vista geral (50x) dos braquetes do Grupo B em T0 (C) e T5 (D). Observa-se, em T5, a formação de produtos de corrosão, principalmente sobre os acessórios do Grupo A.

a

B

C

D

FIGUrA 3 - Imagens frontais específicas de braquetes do Grupo A, em T0 e T5 (a e B, respectivamente); e imagens frontais específicas de braquetes do Grupo B, em T0 e T5 (C e D, respectivamente). Observa-se, em T5, a formação de produtos de corrosão, principalmente sobre os acessórios do Grupo A.

microscópicas indicaram haver maior concentração de produtos de corrosão nos braquetes do Grupo A (Fig. 2, 3, 4). Acredita-se que esse resultado esteja ligado à composição das ligas usadas nos diferentes grupos: Grupo A (AISI 303) e Grupo B (AISI 316L).

Assim, poder-se-ia considerar que os acessórios do Grupo B seriam mais suscetíveis à corrosão, pois apresentaram mais irregularidades da matriz metálica, além da solda de prata unindo corpo e base dos braquetes. Contudo, após 60 dias de imersão, as imagens

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a

B

C

D

FIGUrA 4 - Imagens inferiores específicas (500x) dos braquetes do Grupo A em T0 e T5 (a e B, respectivamente); e imagens inferiores específicas de braquetes do Grupo B, em T0 e T5 (C e D, respectivamente). Observa-se, em T5, a formação de produtos de corrosão, principalmente sobre os acessórios do Grupo A.

braquetes; 3) camadas de produtos de corrosão recobrindo partes específicas da superfície dos acessórios; 4) remoção das camadas de corrosão da superfície (provavelmente por fatores mecânicos) e início de um novo ciclo de corrosão. Nesse último estágio, poderão ser observadas alterações na anatomia da peça metálica. Essencial lembrar que, no presente estudo, as regiões mais afetadas pela corrosão foram aquelas que apresentavam algum tipo de defeito da matriz metálica, concordando com outros estudos2,17,21,25. Isto parece comprovar que a maior rugosidade superficial é um fator predisponente ao processo corrosivo, uma vez que tende a aumentar a área de contato entre a matriz metálica e a solução de imersão. Por outro lado, Grimsdottir e Hensten-Pettersen15 ressaltaram que os defeitos superficiais observados em fios ortodônticos de níquel titânio não são grandes o suficiente para agir como áreas mais propensas à corrosão. Essa parece ser uma área de controversa discussão e, por isso, deve-se lembrar que o processo corrosivo é determinado por multifatores1,14,16.

Deve-se ressaltar que, apesar da biodegradação dos acessórios do Grupo B ocorrer de maneira menos intensa, a região da solda de prata foi a mais atacada pelo processo corrosivo (Fig. 4), concordando com estudos prévios5,12. Além disso, observou-se, em T5, que os acessórios do Grupo A apresentaram frequentemente a formação de camadas de corrosão superficiais. Supõe-se que tais camadas de corrosão sejam um estágio que faz parte da dinâmica do processo corrosivo. Oliveira et al.26, em 2000, salientaram que o processo corrosivo inicia-se pela penetração de eletrólitos em irregularidades da matriz metálica (pits, frestas), reagindo com o metal e formando óxidos/hidróxidos, os quais irão se acumulando gradativamente. Os resultados deste estudo parecem confirmar essa dinâmica do processo corrosivo, sugerindo a ocorrência de um ciclo de corrosão nos braquetes metálicos, o qual é determinado pelos seguintes eventos: 1) preenchimento de pits por produtos de corrosão; 2) formação de aglomerados de produtos corrosivos sobre a superfície dos

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Análise da composição química dos braquetes O EDX é uma ferramenta pertencente ao microscópio eletrônico de varredura que permite identificar e quantificar os metais pertencentes à liga metálica, sendo que essa identificação é aproximadamente proporcional às frações em peso de cada elemento. Dessa maneira, pode-se medir a liberação de níquel, cromo e ferro de forma indireta. De acordo com Eliades et al.10, essa metodologia possui relevância clínica e apresenta resultados com significativo grau de confiabilidade. A análise da composição da liga metálica indicou que os braquetes do Grupo A, na condição “como recebidos”, apresentavam quantidades de íons ferro, níquel e cromo compatíveis com aquelas descritas para a composição do aço AISI 303. Por outro lado, os braquetes “como recebidos” do Grupo B (AISI 316L) apresentaram uma quantidade de íons níquel menor do que aquela estabelecida para esse tipo de aço. Esse menor conteúdo de níquel na liga poderia prejudicar características como ductilidade, soldabilidade e resistência à corrosão. Verificou-se, em T5, uma redução significativa de íons ferro e cromo na liga metálica do Grupo A, e redução de íons cromo na liga do Grupo B (Gráf. 1, 2). Tais dados estão de acordo com os achados obtidos na análise microscópica, onde os acessórios do Grupo A também foram os mais afetados.

80 70 60 50 40 30 20 10 0

T0 T5

Fe

Ni

Cr

GráFICO 1 - Composição química (EDX) da liga metálica dos braquetes pertencentes ao Grupo A, em T0 e T5. Houve redução da quantidade de ferro (p < 0,05) e cromo (p < 0,05).

Grupo B

% 80 70

T0 T5

60 50 40 30 20 10 0

Fe

Ni

Cr

GráFICO 2 - Composição química (EDX) da liga metálica dos braquetes pertencentes ao Grupo B, em T0 e T5. Houve redução de íons cromo (p < 0,05).

quais os principais fatores que determinam o processo corrosivo. A liga metálica e o processo de fabricação dos acessórios ortodônticos parecem desempenhar um papel importante sobre a resistência à corrosão dos mesmos 13. O fato é que a relação entre corrosão e biocompatibilidade dos aparelhos ortodônticos parece uma questão que está longe de ser encerrada. Por isso, a biodegradação de acessórios ortodônticos observada neste estudo não deve ser considerada desprezível ou clinicamente insignificante, sendo necessárias maiores investigações para que se realize tal afirmativa.

CONSIDERAÇõES FINAIS Mesmo com o grande número de estudos que investigam a liberação iônica de acessórios ortodônticos, ainda não existem evidências conclusivas com respeito à cinética e composição dos produtos corrosivos 8. Ressalta-se que a opção de utilizar ligas metálicas que apresentem menor biodegradação reduziria o risco de danos à saúde do paciente. Por isso, pesquisadores têm se empenhado em investigar

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Grupo A

%

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CONCLUSõES Com base nos resultados do presente estudo, pôde-se concluir que: a) Ao MEV, observou-se a presença de produtos de corrosão sobre os braquetes, especialmente no Grupo A. As regiões mais afetadas foram aquelas que apresentavam alguma irregu-

laridade da matriz metálica. b) A análise da composição química dos braquetes, antes (T0) e depois do experimento in vitro (T5), revelou alterações na proporção de íons. No Grupo A, houve redução de íons ferro e cromo; e, no Grupo B, redução de íons cromo após a imersão (T5).

Analysis of biodegradation of orthodontic brackets using scanning electron microscopy Abstract Objective: The purpose of this study was to analyze, with the aid of scanning electron microscopy (SEM), the chemical and structural changes in metal brackets subjected to an in vitro biodegradation process. Methods: The sample was divided into three groups according to brackets commercial brand names, i.e., Group A = Dyna-Lock, 3M/Unitek (AISI 303) and Group B = LG standard edgewise, American Orthodontics (AISI 316L). The specimens were simulated orthodontic appliances, which remained immersed in saline solution (0.05%) for a period of 60 days at 37°C under agitation. The changes resulting from exposure of the brackets to the saline solution were investigated by microscopic observation (SEM) and chemical composition analysis (EDX), performed before and after the immersion period (T0 and T5, respectively). Results: The results showed, at T5, the formation of products of corrosion on the surface of the brackets, especially in Group A. In addition, there were changes in the composition of the bracket alloy in both groups, whereas in group A there was a reduction in iron and chromium ions, and in Group B a reduction in chromium ions. Conclusions: The brackets in Group A were less resistant to in vitro biodegradation, which might be associated with the type of steel used by the manufacturer (AISI 303). Keywords: Corrosion. Biocompatibility. Orthodontic brackets. Nickel.

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Enviado em: maio de 2007 Revisado e aceito: novembro de 2007

Endereço para correspondência Luciane Macedo de Menezes Av. Ipiranga, 6681, prédio 6, sala 209 CEP: 90.619-900 – Porto Alegre / RS E-mail: luciane@portoweb.com.br

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