牙科用鉻合金在不同pH值的人工唾液中耐腐蝕性能的研究

蘇潤剛 李春華 錢燁

（本溪市中心醫院 口腔科，遼寧 本溪 117000）

鎳鉻合金和鈷鉻合金是口腔中常用的金屬材料，它們處在復雜的口腔電解質環境中會引發各種形式的腐蝕，腐蝕后釋放出金屬離子不僅影響材料的性能，還會對人體造成不同程度的影響?？谇煌僖菏橇己玫碾娊赓|，pH值為5.6～7.6，平均為6.8。牙科合金長期處于唾液環境會因為酸性飲食、菌斑堆積、細菌代謝作用等產生酸性物質，無論是無機酸還是有機酸，都會對金屬發生電化學腐蝕，對金屬耐腐蝕性能產生不良影響[1-2]。本研究運用電化學的方法，在模擬口腔環境中，測定鎳鉻合金和鈷鉻合金在pH值分別為5和7的人工唾液中自腐蝕電位、自腐蝕電流密度；用電化學阻抗譜（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）分析鉻合金的腐蝕機制和耐腐蝕性能變化；并與含鈦元素鎳鉻合金進行比較，探討pH值對鉻合金耐腐蝕性能的影響，為建立鉻合金在口腔中的防腐蝕方法及為臨床牙科材料的選擇提供參考。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

鈷鉻合金、鎳鉻合金（阿爾巴登公司，美國），含鈦元素鎳鉻合金（以下簡稱含鈦合金）（Talladium公司，美國），PARSTAT2273系統（EG&G公司，美國），實驗由Powersuite軟件控制。

1.2 實驗條件

腐蝕介質為人工唾液，配方采用ISO/TR10271標準，成分如下：NaCl 0.4 g·L-1、KCl 0.4 g·L-1、NaH2P04·2H2O 0.78 g·L-1、CaCl2·2H2O 0.795 g·L-1、Na2S·2H2O 0.005 g·L-1、尿素1 g·L-1，用分析純試劑和一次蒸餾水配制，用NaOH、HCl調整pH值分別為5、7[2]。實驗均在（37±1）℃環境下進行。

1.3 方法

1.3.1 試樣的制備和實驗前處理 將鈷鉻合金、鎳鉻合金和含鈦合金試樣線切割成10 mm×10 mm大小，試樣工作表面均用砂紙水磨至800號，超聲波清洗，丙酮除油，乙醇脫水，冷風吹干后放干燥器中待用。實驗前將導線與樣品充分接觸后，用環氧樹脂密封，留出1 cm2的工作面積制成工作電極。用PARSTAT2273系統進行電化學測試，電解池用標準三電極體系，試樣為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極。本研究中的電極電位均是相對于參比電極的電極電位。實驗前，工作電極在-1.0 V條件下恒電位極化300 s，以除去電極表面在空氣中形成的氧化物。

1.3.2 腐蝕動電位極化曲線的測定 研究采用動電位極化曲線法，當極化電位偏離自腐蝕電位足夠遠時，極化電位與外加電流密度可以表示為線性的對數 關 系[3]： E-Ek=-balogik+balogia， Ek-E=-bclogik+bclogic，其中ik為自腐蝕電流，Ek為自腐蝕電位，E為電位，ia為陽極電流，ba為陽極斜率，ic為陰極電流，bc為陰極斜率。強極化區的極化曲線呈線性關系，即塔菲爾直線，表示電位隨電流密度的對數而變化的關系。通過所測得的數據對E-logi作圖，將陽極和陰極塔菲爾直線相交于Ek處，此時，ia＝ic＝ik。從塔菲爾直線的交點或塔菲爾直線延伸到Ek處的交點，可以得出體系中腐蝕電極的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位以及相應電極反應陰陽極的塔菲爾斜率。動電位極化曲線掃描測量范圍從相對于自腐蝕電位-150 mV開始，到點蝕擊破電位結束，掃描速度為0.166 mV·s-1。

1.3.3 腐蝕電化學的交流阻抗譜研究 在直流穩態的基礎上，對所研究對象施加一小振幅的正弦波交流電壓信號，通過對響應電流信號的檢測和分析，來確定研究對象的系統特征，這是EIS測量的基本原理[4]。實驗中激勵信號選擇振幅5 mV的正弦波，頻率從10 mHz～100 kHz，阻抗譜數據用ZSimpWin軟件解析。

2 結果

2.1 腐蝕電化學的動電位極化曲線的測定結果

在pH為7和5的人工唾液條件下，3種合金動電位極化曲線的變化規律見圖1、2。

圖 1 在pH為7的人工唾液中，3種材料電極的動電位極化曲線Fig 1 Potentiodynamic polarization plots of the three alloys in the artificial saliva with pH 7

圖 2 在pH為5的人工唾液中，3種材料電極的動電位極化曲線Fig 2 Potentiodynamic polarization plots of the three alloys in the artificial saliva with pH 5

鈷鉻合金的極化曲線形狀受pH值大小影響不明顯，其他2種合金的曲線形狀受pH值影響而發生較大的變化。圖中陽極的曲線均由3部分組成，即陽極溶解區、鈍化區和點蝕發生區。在陽極溶解區中，Rp為極化電阻，其值與腐蝕電流成反比，腐蝕電流的對數值隨電壓的改變迅速增大，極化電阻很小，金屬快速離子化，陽極反應速度很快。當金屬試樣進入鈍化區以后，金屬表面被氧化膜所覆蓋，金屬的離子化過程受到抑制，陽極反應被阻滯，在極化曲線上腐蝕電流的對數值不再隨電位（E）的改變而變化。當體系發生新的陽極反應，有氧氣析出，會使電流再次上升，此時的電位稱為鈍化膜的破裂電位（Ep）或孔蝕電位（Es），即為點蝕發生區。當pH為7時，材料的自腐蝕電位呈現出鎳鉻合金最低（-0.380 V），鈷鉻合金最高（-0.098 V），含鈦合金位于中間（-0.236 V）。測得的自腐蝕電流密度值中鈷鉻合金最低（5.67×10-7A·cm-2），含鈦合金最高（6.54×10-6A·cm-2），鎳鉻合金位于中間（6.88×10-7A·cm-2）。從鈍化區間上看，鎳鉻合金的鈍化區間要短于含鈦合金的鈍化區間，鈷鉻合金的鈍化區間最長，孔蝕電位最高。當pH為5時，鎳鉻合金自腐蝕電位最低（-0.280 V），鈷鉻合金最高（-0.097 V），含鈦合金位于中間（-0.168 V），三者均向正方向移動。鈷鉻合金自腐蝕電流密度最低（7.17×10-7A·cm-2），鎳鉻合金最高（9.54×10-6A·cm-2），含鈦合金位于中間（7.32×10-6A·cm-2）。

2.2 腐蝕電化學的交流阻抗譜研究結果

不同pH值條件下合金電化學阻抗譜的測定結果見圖3、4。

圖 3 3種材料的電極在pH為7的人工唾液中的交流阻抗譜Fig 3 Nyquist plots of the three alloys in the artificial saliva with pH 7

圖 4 3種材料的電極在pH為5的人工唾液中的交流阻抗譜Fig 4 Nyquist plots of the three alloys in the artificial saliva with pH 5

實驗測得的阻抗譜圖由雙容抗弧組成，即高頻端的一個小容抗弧和低頻端的一個大容抗弧。高頻端的小容抗弧代表的是電荷傳遞反應過程，低頻端的大容抗弧代表的是電極界面反應中鈍化膜的生成過程。確定物理模型中的影響參數后，將阻抗測試結果按圖5等效電路擬合，并用ZSimpWin軟件進行擬合解析（表1）。

圖 5 交流阻抗譜等效電路Fig 5 An equivalent circuit modeling

表 1 在pH為7和5時，3種合金電化學交流阻抗譜擬合數據Tab 1 Electrochemical parameters for EIS in the artificial saliva with pH 7 and 5

由表1可見，鈷鉻合金的阻抗值高于含鈦元素合金；而鎳鉻合金的阻抗值略低于含鈦元素合金。

3 討論

3.1 腐蝕電化學的動電位極化曲線研究

測試在pH為7和5條件下合金動電位極化曲線的變化規律。結果顯示：隨電位增強，合金表現出從鈍化、活化溶解到孔蝕的腐蝕發展過程；3種合金在不同pH值溶液中陰、陽極的極化曲線不同，說明合金的陰、陽極反應歷程隨溶液pH值減小而發生改變。

當pH為7時，材料的自腐蝕電位呈現出鎳鉻合金最低，鈷鉻合金最高，含鈦合金位于中間。由于自腐蝕電位是一個特定的腐蝕體系在沒有外加電流的情況下測得的金屬電位，它反映了材料腐蝕的難易程度。因此，相比較而言鈷鉻合金的抗腐蝕能力較強，而鎳鉻合金的抗腐蝕能力最差。材料的自腐蝕電流密度與腐蝕速度成正比，反映了合金材料腐蝕速度的快慢。測得的自腐蝕電流密度值中鈷鉻合金最低，含鈦合金最高，表明鈷鉻合金自腐蝕電流密度最小，腐蝕速度最慢。由于極化曲線中鈍化區的長短是衡量金屬是否耐腐蝕的一個尺度，鈍化區間越長，孔蝕擊穿電位越高，則說明金屬的耐腐蝕性能越好。從鈍化區間上看鈷鉻合金的鈍化區間較長，孔蝕擊穿電位是最高。

當pH為5時，3種合金極化曲線均向正方向移動。合金表面自腐蝕電流密度均升高，說明介質中金屬離子的溶出量增多，金屬的腐蝕速度加快。其中，鎳鉻合金自腐蝕電位負值最大，自腐蝕電流密度最大，腐蝕傾向最大；而鈷鉻合金的自腐蝕電位正值最大，自腐蝕電流密度最低，耐腐蝕能力較強。隨著溶液pH值的減小，3種合金的鈍化區間增長，點蝕擊破電位提高。其中，鈷鉻合金的電流密度最小，隨pH值減小而變化的幅度最小。鈷鉻合金的鈍化區間最長，點蝕擊破電位最高，腐蝕傾向最小，說明它具有更強的耐腐蝕能力?？梢赃x擇作為一種優良的抗腐蝕牙科材料[5]。

3.2 腐蝕電化學的交流阻抗譜研究

交流阻抗譜測試能從多角度提供合金界面狀態與反應過程的信息，便于分析局部腐蝕機理，結果可靠。當電極極化時，施加的直流信號會使電極反應偏離平衡狀態，而EIS法是對體系施加一個小振幅的交流電壓信號，使電極電位在平衡電極電位附近擾動，達到穩定狀態后，測量其響應電流信號的振幅和相位。由于使用的電壓信號很小，又是在平衡電極電位附近，則電壓和電流之間的關系往往可以線性化，這給動力學參數的測量和分析帶來了很大的方便[6]。實驗測得的阻抗譜圖均由雙容抗弧組成。由于阻抗測量原本是電學中研究線性電路網絡頻率響應特性的一種方法，所以用等效電路分析處理交流阻抗譜成了電化學阻抗研究的主要方法[7]。利用相應的等效電路對阻抗譜擬合，可獲得合金/溶液界面電容、反應轉移電阻等信息。

本實驗從電化學阻抗譜的角度進一步分析，測量了鉻合金在pH值正常和pH值為酸性的人工唾液中的阻抗譜。由結果可見，當pH為7和5時，合金在人工唾液中阻抗譜的形狀基本相同，均表現為雙容抗弧。說明在pH值從7減小到5的范圍內，合金的表面電化學溶解機制基本相同，電化學反應過程均受電荷轉移過程的控制，合金表面均形成氧化膜。從擬合數據中可以看出3種合金的阻抗值均隨pH值的減小而降低，說明pH值的變化影響合金的電化學反應過程。pH值越小，電荷轉移電阻越小，電化學反應的阻力越低，反應的腐蝕過程就會加劇。因此，可以判斷出在pH值從7降至5的過程中，3種合金的腐蝕過程均有所增強。3種合金中鈷鉻合金隨pH值的減小，表現為良好的耐腐蝕性。鈷鉻合金的電荷傳遞電阻值從5.908E4降至2.66E4，鈍化膜電阻值從1.397E6降至3.028E5，這表明鈷鉻合金在此過程中形成了良好的鈍化膜，所以它的耐腐蝕能力僅略有降低。相反，鎳鉻合金的擬合參數表明，其電荷傳遞電阻值從1.361E4降至81.54，鈍化膜電阻值從5.293E5降至1.011E4，降低幅度很大，表明鎳鉻合金在所測的酸性環境內已經發生了腐蝕，其耐腐蝕能力明顯降低。而含鈦合金的變化幅度則介于二者之間。

鈷鉻合金的耐腐蝕性能要高于含鈦合金，它的自腐蝕電流密度低于含鈦合金，阻抗值高于含鈦合金；而鎳鉻合金耐腐蝕性能低于含鈦合金，它的自腐蝕電流密度高于含鈦合金，阻抗值略低于含鈦合金。隨著pH值降低，合金耐腐蝕性能均發生不同程度的下降，但鈷鉻合金的耐腐蝕能力僅略有降低，耐腐蝕能力仍然明顯強于鎳鉻合金，這表明鈷鉻合金在口腔臨床中有更好的耐腐蝕優越性。

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