Corrosion Susceptibility and Nickel Release of Nickel Titanium Wires during Clinical Application

Abstract

Background and Objective:

Orthodontic wires are exposed to a corrosive intraoral environment and are subject to mechanical and thermal load. This could affect how nickel titanium (NiTi) wires corrode, as they possess temperature- and load-dependent characteristics. It was the scope of this study to determine whether the clinical application of NiTi wires would lead to corrosion defects on the wire surfaces, and whether an influence on the patients’ salivary Ni ion concentration would become apparent.

Material and Methods:

A total of 115 wires of different manufacturers (Forestadent Titanol^® ‘Low Force’ und ‘Martensitic’, Ormco Copper Ni-Ti^® 35 °C, Ortho Organizers NiTi) was retrieved after intraoral application lasting 1 to 12 months. The wires were examined after cleaning with a scanning electron microscope. We also analyzed the salivary Ni ion concentration in 18 patients at predefined intervals following a detailed orthodontic treatment protocol during the initial phase of orthodontic therapy. The intervals were: 1) a saliva sample before treatment commenced, 2) after bonding of brackets and bands, 3) 2 weeks after bonding, immediately before and 4) immediately after fitting the archwires, and 5) 4 and 6) 8 weeks after placing the archwires. 16 to 20 brackets and bands were bonded in the upper and lower jaws, while NiTi leveling arches (ODS Euro Arch Opto Therm™, 0.40 mm round) were fitted. The saliva samples were quick-frozen and subsequently dried under red light. Dried residuals were dissolved in aqua regia and filled up to 3 ml. The solutions were analyzed using a mass spectrometer (Perkin Elmer Elan 5000).

Results:

Surface analysis revealed no differences in the degree of corrosion of the different products. In fact, we observed only extremely small and isolated corrosion defects. No statisticallysignificant differences were noted in the Ni ion concentration at time points 1 (reference value), 3, 5 and 6 (34, 34, 28 and 30 μg/l, respectively). The samples taken immediately after bracket bonding or the NiTi wire application however displayed a significant increase in the salivary Ni ion concentration (2: 78 and 4: 56 μg/l). It was significantly higher after bonding of the steel brackets than after NiTi wire application.

Conclusions:

Increased Ni ions are released initially after the orthodontic devices have been fitted, but they decay quickly. This is reflected in miniscule corrosion defects as pitting. It is unlikely that orthodontic nickel titanium wires are a relevant additional Ni load for the patient.

Zusammenfassung

Hintergrund und Ziel:

Orthodontische Drähte sind intraoral nicht nur einem korrosiven Milieu ausgesetzt, sondern unterliegen auch mechanischen und thermischen Belastungen. Dies kann bei Nickel-Titan-(NiTi-)Drähten mit ihren belastungs- und temperaturabhängigen Eigenschaften das Korrosionsverhalten beeinflussen. Im Rahmen dieser Studie wurde daher untersucht, ob der klinische Einsatz von NiTi-Drähten zu Korrosionsdefekten auf der Drahtoberfläche führt und ein Einfluss auf die Nickelionenkonzentration im Speichel der Patienten nachzuweisen ist.

Material und Methodik:

Insgesamt 115 Drähte verschiedener Hersteller (Forestadent Titanol^® ‚Low Force’ und ‚Martensitic’, Ormco Copper Ni-Ti^® 35 °C, Ortho Organizers NiTi) wurden nach klinischem Einsatz über eine Zeitdauer von 1 bis zu 12 Monaten gesammelt und die Oberfläche nach Reinigung im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Des Weiteren erfolgte bei 18 Patienten, bei denen eine in der Initialphase fest definierte kieferorthopädische Behandlung durchgeführt wurde, eine Analyse der Ni-Ionenkonzentration im Speichel zu bestimmten Zeitpunkten. Diese waren: 1) Speichelprobe als Referenzwert vor Beginn der Behandlung, 2) nach Befestigen der Brackets und Bänder, 3) 2 Wochen danach, unmittelbar vor und 4) unmittelbar nach Einsetzen der Bögen, 5) 4 und 6) 8 Wochen nach Einsetzen der Bögen. Im Ober- und Unterkiefer wurden 16 bis 20 Brackets und Bänder gesetzt, es wurden Nivellierungsbögen aus Nickel-Titan des Fabrikats ODS Euro Arch Opto Therm™ (0,40 mm rund) eingesetzt. Die Speichelproben wurden tiefgekühlt gelagert und anschließend unter Rotlicht getrocknet. Die getrockneten Rückstände wurden mit Königswasser gelöst und auf 3 ml aufgefüllt. Die Lösungen wurden in einem Massenspektrometer (Perkin Elmer Elan 5000) analysiert.

Ergebnisse:

Die Untersuchung der Drahtoberflächen erbrachte keine Unterschiede im Korrosionsverhalten der unterschiedlichen Produkte. Insbesondere erwiesen sich die auf den Drahtoberflächen festgestellten Korrosionsdefekte als extrem klein und nur vereinzelt auftretend. In Bezug auf die Ni-Ionenkonzentrationen in den Proben konnten zu den Zeitpunkten 1 (Referenzwert), 3, 5 und 6 (34, 34, 28 und 30 μg/l) keine statistisch signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Die Proben, die unmittelbar nach dem Einsetzen von Brackets bzw. NiTi-Bögen entnommen wurden, zeigten dagegen jeweils einen signifikanten Anstieg der Ni-Ionenkonzentration (2: 78 und 4: 56 μg/l). Die Ni-Konzentration nach Einsetzen der Stahlbrackets war dabei signifikant höher als die nach Einsetzen der NiTi-Drähte.

Schlussfolgerungen:

Nach Einsetzen der Apparaturen findet nur initial eine erhöhte Ni-Ionen-Abgabe statt, die nach kurzer Zeit wieder abklingt. Diese äußert sich in extrem kleinen Korrosionsdefekten in Form von Lochfraß auf den Drahtoberflächen. Es ist nicht zu erwarten, dass kieferorthopädische Drähte aus Nickel-Titan eine relevante zusätzliche Ni-Belastung für den Patienten darstellen.