フッ化物曝露下における純チタンの表面分析および腐食挙動

Surface analysis and corrosion behavior of pure titanium under fluoride exposure.

抄録

問題提起:

口腔内フッ化物製剤のチタンに対する腐食作用が報告されており，高フルオライド血症を引き起こす慢性フッ素症は，世界の健康問題の一つである．しかしながら，チタンインプラントのオッセオインテグレーションに悪影響を及ぼす可能性のある高血清フッ化物とチタン表面の腐食との関係については明らかにされていない．

STATEMENT OF PROBLEM: The corrosive effects of oral fluoride products on titanium have been reported, and chronic fluorosis, which causes hyperfluoemia, is one of the world's health problems. Nevertheless, the relationship between high serum fluoride and corrosion on the titanium surface, which might have adverse effects on titanium implant osseointegration, has not been elucidated.

研究の目的:

本研究の目的は，異なる pH 値の高血清フッ化物に曝露された純チタンの表面分析に基づく腐食挙動を調べることである．

PURPOSE: The purpose of this in vitro study was to investigate the corrosion behavior of pure titanium exposed to high serum fluoride with different pH values based on surface analysis.

材料および方法:

0.04 および 0.4 ppm の NaF を含む pH7.3 および 5.0 の異なる電解質に曝された純チタン試料は、走査電子顕微鏡 (SEM) を用いて表面微細構造を、X 線光電子分光 (XPS) を用いて表面元素組成を調査した。0.04および0.4ppmの血清フッ化物濃度（NaF）を含むハンクス平衡塩溶液（HBSS）に浸漬した試料の腐食挙動と金属イオン放出を電気化学インピーダンス分光法（EIS）および誘導結合プラズマ発光分光法（ICP-AES）によって測定した．

MATERIAL AND METHODS: Pure titanium specimens, exposed to different electrolytes with 0.04 and 0.4 ppm NaF at pH 7.3 and 5.0 values, were examined for surface microstructure by using scanning electron microscopy (SEM) and for surface element composition with X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The corrosion behavior and metal ion release of specimens immersed in the Hanks' balanced salt solution (HBSS) containing 0.04 and 0.4 ppm serum fluoride concentrations (NaF) at 7.3 and 5.0 pH values were measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES).

結果:

高濃度血清フッ化物に曝された純チタン表面にはピッティングホールが観察された。血清フッ化物濃度の上昇に伴い、特に酸性条件下で表面はより粗くなった。XPS分析により，血清フッ化物暴露下で純チタン表面の支配的な二酸化チタン（TiO）が減少し，相対的なFレベルの上昇に対応していた．EISデータにより，高血清フッ化物暴露下の純チタンの活発な腐食挙動と血清フッ化物濃度の上昇とともに徐々に低下する耐食性，そしてそれは酸性条件下により深刻であることが示された．また，チタンイオンの放出も高血清フッ化物と酸性条件下で誘発された．

RESULTS: Pitting holes were observed on pure titanium surfaces exposed to high serum fluoride. The surfaces became rougher with the increase of serum fluoride concentration, especially under acidic conditions. XPS analysis revealed a reduction of dominant titanium dioxide (TiO) on the pure titanium surface under serum fluoride exposure, corresponding to an increase in the relative level of F. EIS data showed an active corrosion behavior of pure titanium exposed to high serum fluoride and gradually decreased corrosion resistance with increasing concentration of serum fluoride, which was more severe under acidic conditions. The release of titanium ions was also induced by high serum fluoride and acidic conditions.

結論:

高濃度血清フッ化物は純チタンの腐食挙動に負の影響を及ぼした．フッ化物イオン条件下では，酸化チタン皮膜のバリアーが破壊され，血清フッ化物濃度の増加とともに純チタンの耐食性は低下した．純チタンの腐食感受性の増加は，高濃度血清フッ化物への曝露後にチタンイオンの放出を促進し，これは酸性環境においてより顕著であった．

CONCLUSIONS: High serum fluoride had a negative influence on the corrosion behavior of pure titanium. The titanium oxide film barrier could be broken down in the fluoride ions condition, and the corrosion resistance of pure titanium decreased with the increasing concentration of serum fluoride. The increased corrosion susceptibility of pure titanium accelerated the release of titanium ions after exposure to high serum fluoride; this was more pronounced in an acidic environment.