镍铬合金义齿在人工唾液中镍离子析出行为的研究

姜红强，甄辉，寇艳芹，陈宁清，郑超，谢昕

浙江省医疗器械审评中心，浙江 杭州 310009

引言

口腔疾病是影响我国居民健康的常见病，其中龋齿和牙周疾病是最常见的口腔疾病[1]。与贵金属相比，镍铬合金加工性能优良、力学强度高、价格低廉，在口腔修复领域被广泛使用[2]。近年来，镍铬合金在口腔环境下金属离子的析出行为以及对患者的潜在毒性越来越引起国内外学者的关注[3-9]。研究发现，镍铬合金义齿由于电化学反应发生腐蚀后[10]，不仅影响美观和功能，还可产生不良的生物学作用，临床上常表现为炎症、过敏、牙龈染色等[11-12]。本实验将镍铬烤瓷冠以及不同铬含量的镍铬金属冠在pH6.8的人工唾液中浸泡特定的时间后，采用火焰原子吸收光谱法测定浸出液中镍离子的析出量，为镍铬合金义齿的生物安全性评价提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 实验材料及设备

高铬合金（各元素的质量分数：Ni 60%～64%，Cr 21%～25%，Mo 10%～12%），低铬合金（各元素的质量分数：Ni 69.5%，Cr 5.2%，Cu 13.5%，Fe 4.5%，Sn 4.5%）；镍标准溶液（1000 μg/mL，国家标准物质中心）；NOV AA 400P原子吸收光谱仪（德国耶拿），DHG-9035AS恒温干燥箱（上海一恒），DHS-3C精密pH计（上海雷磁），KQ-50DB型数控超声波清洗器（昆山超声仪器）、FA1004分析天平（昆山艾思博格）。

1.2 人工唾液的配置

按照GB/T 18886-2002《纺织品 色牢度试验 耐唾液色牢度》标准规定，配置1 L实验用人工唾液。人工唾液中，CH3CH(OH)COOH、H2NCONH2、NaCl、KCl、Na2SO4、NH4Cl的浓度分别为3.0、0.2、4.5、0.3、0.3、0.4 g/L。具体方法如下：用分析天平称取各种试剂，超纯水溶解后，用容量瓶定容到1 L。口腔中唾液的pH值为5.6～7.6，平均值约为6.8[13]，故本实验用1 mol/L的氢氧化钠将溶液的pH值调至6.8，保存在4℃冰箱中备用。

1.3 镍铬合金义齿的定制及处理

Collins等[14]报道人口腔中牙齿的平均面积约为45.3 cm2。为了便于估算面积，同时考虑到试验成本，本实验选用四分之一口义齿进行研究，表面积约为11.33 cm2。被检样品共9组，即高铬金属冠、低铬金属冠、烤瓷冠各3组（图1）。制备方法：为保证样品的均一性，由某义齿生产企业同一技师用同一牙模分别制作四分之一口铬质量分数为22.7%的镍铬烤瓷冠以及铬质量分数为5.2%和22.7%的镍铬金属冠。然后将义齿的内表面用环氧树脂包埋，仅外表面裸露。包埋好的样品用无水乙醇和蒸馏水各超声清洗5 min，自然晾干备用。

图1 四分之一口义齿

1.4 试验方法及步骤

取50 mL玻璃瓶9个，彻底清洗晾干，高温蒸汽灭菌，对每个玻璃瓶进行编号并加入50 mL人工唾液，每种镍铬合金冠分为A、B、C三个小组分别装在对应的玻璃瓶中（所有样品的表面均充分暴露在液体环境中），盖好瓶盖放入37℃恒温干燥箱中保存，每隔一周用塑料镊子将试样取出，倒出溶液后玻璃瓶用蒸馏水超声清洗后，重新添加50 mL新鲜人工唾液继续浸泡；浸出液采用原子吸收光谱仪火焰法测试镍离子的浓度（如超出线性上线，需将浸泡溶液稀释后再测试）；每个样品重复测试三次取平均值。

1.5 标准曲线绘制

国家标准物质中心的镍标准溶液浓度为1000 μg/mL，用pH 6.8的人工唾液将镍标准溶液分别稀释配置成0.5、1、1.5、2及2.5 μg/mL的系列标准溶液，用火焰原子吸收光谱法测其吸光度值，以吸光度值为纵坐标、浓度为横坐标绘制出标准曲线（图2），得到回归方y=0.1174x+0.0021（R2=0.9987）。结果表明，镍离子浓度在0.5～2.5 μg/mL浓度范围内与吸光度呈良好的线性关系。在选定的测试条件下，检测所有镍铬合金义齿浸出液的吸光度值，用标准曲线即可计算出浸出液中镍离子的浓度。

图2 标准曲线

2 研究结果及分析

2.1 高铬含量镍铬金属冠在人工唾液中镍离子的析出行为

镍铬金属冠浸于人工唾液中，由于电化学反应，表面会有金属离子析出。本实验对不同铬含量镍铬金属冠中镍离子的析出行为进行了研究。高铬含量镍铬金属冠在人工唾液中镍离子的析出试验结果，见图3和图4。从图3可以看出，高铬金属冠镍离子的析出速率随着时间的推移先增加再降低，第 1 周为 0.44 μg/cm2，于第 2 周达到峰值 2.11 μg/cm2，之后逐渐下降，于第8周后几乎不再析出，这与国外Wataha等[15]报道的齿科铸造合金冠在戴入口腔后2～4周内释放金属离子的速度最快的结论相一致。图4显示随着时间的推移高铬金属冠在人工唾液中析出的镍离子总量，前5周镍离子的累积效应比较明显，达到了5.37 μg/cm2，后5周镍离子的总量增长缓慢，第8周趋于稳定，10周后的最终析出量为6.13 μg/cm2。高铬金属冠镍离子最大析出量远低于CFDA发布的《义齿制作用合金产品注册技术审查指导原则》的规定：在（37±1）℃，（7.0±0.1）d释放到指定溶液中的总金属离子不超过 200 μg/cm2。

图3 高铬金属冠镍离子的析出速率

图4 高铬金属冠镍离子析出总量

2.2 低铬含量镍铬金属冠在人工唾液中镍离子的析出行为

低铬含量镍铬金属冠在人工唾液中镍离子的析出试验结果，见图5和图6。由图5可知，在本实验检测周期内（8周），低铬合金组镍离子的析出速率呈先上升后下降再上升的趋势。在第3周的时候出现第一个高点255.87 μg/cm2，然后析出速率呈下降趋势，这也符合镍铬合金冠在口腔中镍离子析出速率的变化规律，与图4的变化趋势也比较一致。但从第6周开始析出速率又呈现快速上升趋势，第8周已经达到1152.6 μg/cm2。取出样品观察，表面出现明显的腐蚀斑，电化学腐蚀的程度较为严重，见图7。低铬含量镍铬金属冠的镍离子析出量显著高于高铬组，说明铬含量对镍离子在人工唾液中的析出行为产生直接影响。这可能是因为高铬合金义齿在烧结的过程中形成连续的Cr2O3保护膜，使其钝化，能阻止镍离子的析出，具有更好的耐腐蚀性。低铬合金义齿，在烧结的过程中未形成致密连续的Cr2O3保护膜，与高铬合金相比易发生腐蚀，有相对多的镍离子从合金样品中析出。当形成图7中的腐蚀斑后，由于缺少了Cr2O3保护膜的作用，镍离子析出速率急剧增大。图6显示了镍离子累积析出量的变化，前6周持续缓慢增加，第6周时达到886.57 μg/cm2，到第7和第8周累积析出量高达1820.02 μg/cm2和 2972.62 μg/cm2，约是高铬含量镍铬金属冠的500倍。

图5 低铬金属冠镍离子的析出行为

图6 低铬金属冠镍离子析出总量

图7 低铬金属冠腐蚀斑

2.3 镍铬烤瓷冠在人工唾液中镍离子的析出行为

金属烤瓷冠是目前常用的齿科修复材料之一，其中镍铬烤瓷冠成本低廉，在临床领域被广泛使用，本实验对镍铬烤瓷冠在人工唾液中镍离子的析出行为进行研究。在检测周期内（8周），镍铬烤瓷冠浸出液中镍离子的浓度始终低于本实验仪器检出限，相较于镍铬金属冠，烤瓷冠镍离子的析出量显著降低，这与刘春秀等[16]的研究结果一致。由此可见，在本试验条件下，烤瓷层对镍铬金属冠在唾液中的金属离子析出有着较好的阻隔作用。这与本实验选择的样品也有关系，定制样品时只要求加工企业根据牙模制作，烤瓷粉完全覆盖金属内冠，未考虑颈缘贴合度[17]，样品烤瓷牙与牙龈接触部分仍有一定的瓷粉厚度。更长时间内镍离子的析出、刷牙以及烤瓷层部分破损（如咀嚼）之后的析出行为，还有待进一步的研究。

3 讨论

镍铬合金在口腔唾液环境下会发生电化学腐蚀，析出的镍离子会影响合金产品的生物相容性。因此，镍铬烤瓷冠及金属冠中镍离子析出的研究具有一定的临床参考价值。本研究结果显示，不同铬含量的镍铬金属冠在pH6.8的人工唾液中镍离子的析出量差异较大，含铬质量分数为22.7%的高铬金属冠在人工唾液中浸泡2～4周左右，铬含量的析出速率达到高峰，其后析出速率逐渐变缓，最终累积析出量约为6.13 μg/cm2。含铬质量分数为5.2%的低铬金属冠在人工唾液中镍离子的析出量显著高于高铬合金组，并且镍离子的析出量在检测周期内持续增加。因此，与质量分数为5.2%的低铬合金相比，质量分数为22.7%的高铬合金更适合用于义齿的铸造。目前低铬含量的镍铬合金在义齿加工中的应用比例已大幅降低，通过国家食品药品监督管理总局网站进行齿科镍基合金查询，可以发现有注册证的生产企业只有10家，而且镍铬合金的铬含量大于5%，有些甚至达到了20%～25%。与镍铬金属冠相比，在烤瓷层的隔离下，镍铬烤瓷冠在人工唾液中的镍离子析出量极少，相对具有更好的生物安全性。本实验条件与真实口腔环境存在一定差异，因此后续的研究有待进一步完善。