LA CORROSION BIOLOGIQUE

DES ALLIAGES ORTHODONTIQUES.

AUTEURS:

RERHRHAYE W. : Professeur Assistante – Service d’Orthopédie Dento-Faciale,

MERZOUK N. : Professeur Agrégée – Service de Prothèse Adjointe,

ZAOUI F. : Professeur - Service d’Orthopédie Dento-Faciale,

AALLOULA E. : Professeur et chef du Service d’Orthopédie Dento-Faciale

Faculté de médecine dentaire de Rabat.

Université Mohamed V Suissi

RÉSUMÉ:

L’environnement buccal est favorable à la biodégradation des métaux à cause de ses

propriétés qui accélèrent le processus de corrosion. De plus, la grande population de

bactéries et de champignons présents en bouche accélère la corrosion des appareillages

orthodontiques. D’autre part, le traitement orthodontique peut favoriser la formation

d’amas de biofilm acidogène, où le pH peut être très acide. La tendance à la dissolution

des métaux devient alors très élevée dans ces zones. La colonisation bactérienne agit à

deux niveaux: d’une part, certaines espèces bactériennes peuvent attaquer les métaux

et entraîner leur dissolution et d’autre part, les acides minéraux et organiques issus du

métabolisme microbien peuvent jouer un rôle dans le processus de dégradation. Ainsi,

le maintien d’une bonne hygiène orale pendant le traitement orthodontique permet de

minimiser la baisse du pH et donc d’améliorer le comportement en corrosion des

alliages présents en bouche.

MOTS CLES: Corrosion biologique – Appareillage orthodontique – Milieu biologique.

INTRODUCTION :

La corrosion est la cause principale de dégradation des biomatériaux. Il est donc

important de connaître les mécanismes responsables, pour la minimiser.

La biocompatibilité des matériaux utilisés en odontologie a longtemps été définie par

l’absence de processus de corrosion et de dégradation.

Actuellement, au-delà de la simple tolérance biologique, la biocompatibilité

englobe la compréhension des mécanismes interactifs, existant entre un matériau

et le milieu biologique environnant. Néanmoins, la corrosion y garde une place

prépondérante. L’environnement buccal est favorable à la biodégradation des métaux à cause de ses

propriétés ioniques, thermiques, microbiologiques et enzymatiques qui accélèrent le

processus de corrosion. En effet, dans la cavité buccale, il peut se produire des réactions

électrochimiques qui font appel à des transferts de charges électriques.

La salive et les liquides biologiques sont des milieux électrolytiques qui assurent la

conduction ionique. Il est important de souligner la grande variabilité de ces milieux d’un

individu à l’autre, mais aussi chez un même patient d’un moment de la journée à l’autre.

Certaines caractéristiques physico-chimiques de ces milieux, telles que le potentiel

d’oxydo-réduction, la conductivité électrique et le pH, ont une très grande influence sur

les phénomènes éventuels de corrosion [1].

Les patients porteurs d’appareillages orthodontique sont sujets à des changements du

milieu buccal telle une baisse du pH salivaire, l’augmentation de sites de rétention de

Streptococcus Mutans et l’augmentation de la rétention alimentaire qui participe à son

tour à l’augmentation de la proportion et de la valeur absolue des Streptococcus Mutans

salivaires [2].

La grande population de bactéries et de champignons présents en bouche accélère la

corrosion des appareillages orthodontiques. De plus, les acides organiques et enzymes,

en particulier, peuvent affecter les métaux. Le pH a également une action sur la vitesse

de corrosion.

1. LE MILIEU BUCCAL :

Les fluides biologiques : Le milieu buccal est composé essentiellement d’un liquide qui trouve son origine

dans les diverses secrétions salivaires (parotidiennes, sous-mandibulaires,

sublinguales et mineures), enrichies par l’exsudation du fluide gingival. Ce fluide

buccal charrie de nombreux éléments et particules d’origine locale (cellules

épithéliales desquamées, leucocytes, micro-organismes…) et exogènes (débris

alimentaires, micro-organismes…).

En plus du fluide buccal qui constitue un électrolyte très agressif pour les métaux, le

sang peut constituer un agresseur supplémentaire. Les fluides interstitiels ont une

concentration en ions chlorures sept fois supérieure à celle des fluides buccaux et

donc plus agressifs malgré leur plus faible quantité [3].

Le pH : Le pH de la salive varie selon la glande sécrétrice, la stimulation, le débit et les

éléments tampons. Le pH moyen de la « salive totale » non stimulée est de 6,8 à 7,1

[4]. La salive la plus acide est la « parotidienne » son pH = 5,8 ; la sous-maxillaire

étant la plus alcaline son pH = 6,47. Le pH est fonction du débit et de la stimulation,

lorsque le débit augmente après stimulation, le pH de la salive totale augmente

jusqu’à 7,32. Le pH le plus bas (2,5) correspond à l’état le plus défavorable rapporté

par la littérature même s’il est rarement atteint en bouche. En effet, même après un

repas, le pH de la cavité buccale descend rarement au dessous de 4 [5]. Le pH

salivaire et le pouvoir tampon salivaire assurent la protection des tissus buccaux en

maintenant le pH à une valeur moyenne (6,5) [4].

L’alimentation : Une alimentation riche en chlorures de sodium ajoutée à de grandes quantités de

boissons acides (acide phosphorique), constituent une source continue d’agents

corrosifs malgré la durée d’exposition relativement courte.

La respiration buccale:

Un respirateur buccal en milieu urbain inhale, en moyenne 1 m3 d’air toutes les deux

heures avec un potentiel de consommation entre 0,11 mg et 2,3 mg de sulfure

dioxyde. Or le sulfure dioxyde et le sulfure d’hydrogène sont tous les deux incriminés

dans la ternissure et la corrosion des métaux implantaires [3].

Le biofilm : Le milieu buccal recèle entre 4,3 x 106 et 5,5 x 109 micro-organismes/mm3. 46% de

ces germes sont à Gram+. Les micro-organismes peuvent libérer divers métabolites

dans l’espace oral (ammoniaque, sulfure d’hydrogène, acides gras, indole,

polyamines) [5].

La plaque dentaire ou plaque bactérienne peut être définie comme un enduit mou,

dense et jaunâtre, persistant et adhérant qui se dépose sur les surfaces des dents,

des matériaux et des muqueuses. Elle se développe en quelques heures en l’absence

de brossage, et ne peut être éliminée par simple rinçage à l’eau. Dans certaines

conditions, les bactéries présentes dans le milieu buccal s’accolent à la surface de la

pellicule acquise. Cette pellicule, qui est colonisée par les organismes bactériens,

correspond à un film glycoprotéinique acellulaire d’origine salivaire protégeant les

surfaces dentaires *6+. L’alimentation agit localement sur le métabolisme de la

plaque bactérienne et particulièrement sur sa capacité de produire des acides [7, 8,

9]. L’acide lactique est donc libéré par les bactéries dans la cavité buccale (Figure 1).

La notion de plaque bactérienne est aujourd’hui remise en question par la

notion de biofilm. Un biofilm est défini comme une succession d’agrégats

bactériens étroitement liés adhérant aux surfaces naturelles ou artificielles dans

un environnement aqueux qui suit un véritable flux circulatoire et contient une

concentration suffisante de nutriments permettant d’assurer les besoins

métaboliques des populations présentes [10,11].

2. L’APPAREILLAGE ORTHODONTIQUE : Plusieurs types d’alliages sont actuellement utilisés en orthodontie: l’Elgiloy, les alliages de Titane et les Aciers Inoxydables

[3, 12, 13, 14, 15].

Ces derniers sont essentiellement composés de fer. Les aciers orthodontiques sont

rendus inoxydables par la présence dans l’alliage de métaux à caractères particuliers : le

nickel et le chrome.

Le Ni : augmente l’inoxydabilité et la résistance à la traction et à l’usure.

Le Cr : augmente la dureté et donne leur brillance aux aciers.

La plupart du matériel orthodontique est composé d’acier de série 300. Ces alliages sont

composés de 17 à 20% de Cr et 8 à 25% de Ni [15].

Les bagues et les fils orthodontiques sont universellement fabriqués avec de l’acier

inoxydable austénitique contenant approximativement 18% de Cr et 8% de Ni. Avec une

faible quantité de Mn et de Si et des traces de C (en général 0,1%).

Parmi les types d’acier utilisés dans les bracketts, on trouve le 316 L et le 304. La plupart

des bases de bracketts orthodontiques sont fabriquées avec de l’acier 304 qui contient

18 à 20% de Cr et 8 à 10% de Ni avec une faible quantité de Mn et de Si et des traces de

C (0,08%). Le 316 L contient une plus grande teneur en Ni (10 à 14%), 2 à 3% de Mo et

moins de C (0,03%) ce qui améliore la résistance à la corrosion.

3. PROCEDURES EXPERIMENTALES :

La résistance à la corrosion des biomatériaux est évaluée par des méthodes

potentiostatiques et potentiodynamiques classiques. Des méthodes par spectroscopie

d’impédance sont aussi utilisées. A partir de ces tests électrochimiques, plusieurs

paramètres de base sont retenus pour caractériser le comportement d’un biomatériau

métallique dans un milieu donné :

Le potentiel d’abandon (Ea) est déterminé à partir des courbes obtenues par suivi

du potentiel en fonction du temps. La valeur du potentiel d’abandon est évaluée

quand le potentiel reste constant (on le mesure souvent après 24 heures). Cette

valeur permet ensuite de classer les alliages les uns par rapport aux autres. L’allure

générale de la courbe indique si le matériau se passive, c’est le cas si l’on constate

une augmentation du potentiel en fonction du temps.

Le potentiel de corrosion (Ec) et le potentiel de rupture (Er) : grâce au montage

potentiodynamique à trois électrodes, l’observation des courbes intensité-

potentiel permet de déterminer ces deux valeurs. Le potentiel de corrosion est

reconnu pour influencer l’activité cellulaire. Rappelons que Er correspond au

potentiel à partir duquel le film de passivation s’altère et de ce fait la corrosion du

biomatériau logarithmique permet de déterminer l’intensité critique (Ic) ou la

densité critique (Jc) qui correspondent au courant ou la densité nécessaire pour

passiver l’éprouvette.

L’aptitude à la passivation augmente lorsque Ic ou Jc diminuent.

Alors que dans l’industrie, la durée de vie d’une installation peut être évaluée

simplement à partir du courant de corrosion, la biosécurité d’un organisme implique que

soient déterminées la nature des produits de corrosion et la concentration des ions

relargués. En effet, si la concentration en ions libérés par la corrosion est élevée et s’ils

sont reconnus pour avoir des effets toxiques et/ou allergènes, alors on peut supposer

que la biocompatibilité est compromise. Ainsi, les tests électrochimiques élémentaires

constituent une prévision de la biocompatibilité d’un matériau en complémentarité avec

les tests biologiques (tests de cultures cellulaires et/ou expériences animales in vivo).

Cependant, il faut préciser que la difficulté majeure des tests électrochimiques in vitro

est la reconstitution réaliste de l’électrolyte, à savoir des fluides corporels quels qu’ils

soient (sang normal, liquide interstitiel, salive,…). Si l’on considère le sang humain,

rappelons qu’il est constitué de cellules en suspension dans un liquide complexe, le

plasma (Notons que le plasma débarrassé du fibrogène prend le nom de sérum), celui –ci

est une solution aérée d’eau (90% environ), de substances organiques diverses (glucides,

lipides, protéines). Parmi ces protéines plasmatiques d’origine hépatique, on trouve

l’albumine, la plus importante sur le plan quantitatif, des globulines, du fibrogène

(facteur de coagulation). On considère que les acides aminés et les protéines ont

tendance à accélérer la corrosion. Le tableau ci-dessous donne la composition du plasma

sanguin humain.

Ion Concentration/mM

Na+ 142,0

K+ 5

Mg2+ 1,5

Ca2+ 2,5

CI- 103,0

HCO-3 27,0

HPO42- 1,0

SO42- 0,5

Les fluides corporels agissent comme des solutions tampons car leur pH change

peu (7,35<pH <7,45). Cependant, le pH peut diminuer à environ 5,2 dans les tissus

récemment implantés et revient à sa valeur initiale deux semaines plus tard (en

principe, ce changement brutal du pH des fluides corporels n’est associé à aucune

corrosion sensible du biomatériau). Sur ces données essentielles, de nombreux milieux physiologiques synthétiques ont été

élaborés : certains contenant du glucose, de l’albumine ou encore des acides aminés ; les

plus couramment utilisés sont les solutions de Ringer, de Hank ou tout simplement de

NaCl. De même pour la reconstitution de la salive, il existe un nombre particulièrement

élevé de milieux synthétiques (plus d’une soixantaine).

Le seul point commun entre tous ces électrolytes est la présence d’ions Cl, anions

pernicieux quant à l’endommagement de la couche de passivation.

La plupart des tests sont réalisés à 37°C, température du corps humain. Notons

également que la multitude des milieux synthétiques rend difficile les

comparaisons entre les divers cas d’études.

4. LA CORROSION BIOLOGIQUE: Plusieurs hypothèses ont été émises sur le mécanisme de la biocorrosion. En effet,

Crolet [16] parle du « mythe de l’aération différentielle » en rapport avec

l’accumulation, par endroits, d’amas de plaque dentaire. Il a montré que, même si

ce n’est pas la raison principale de la corrosion, ce serait un processus d’initiation. En milieu aéré, la réduction de l’oxygène entraîne une augmentation du pH favorisant la

passivation, alors que dans les régions anodiques, l’hydrolyse des ions métalliques

diminue le pH et augmente l’acidité ce qui favorise la corrosion. Cette baisse du pH

s’ajoute à celle engendrée par les micro-organismes de la plaque dentaire. En effet, les

micro-organismes sécrètent des acides organiques (acide lactique) qui modifient le pH

local et peuvent attaquer des métaux insuffisamment résistants sur le plan

électrochimique ou qui ont déjà subi une fatigue mécanique développant fissures et

crevasses à la surface du métal, qui seront un lieu de prédilection de localisation

microbienne et d’attaque anodique par aération différentielle *17+.

Toutefois, dans les nombreux interstices dent – obturation - gencive, et au niveau

des amas de plaque bactérienne acidogène, le pH peut être très acide. La tendance

à la dissolution des métaux devient alors très élevée dans ces zones [6, 18]. Les

acides minéraux et organiques issus du métabolisme microbien peuvent jouer un

rôle dans le processus de dégradation. En effet, de nombreuses bactéries sont

susceptibles par fermentation ou par oxydation, de donner des métabolites acides

[16].

D’après les travaux de Tani et coll., l’usure mécanique reste la cause principale de

la mauvaise tenue de certaines restaurations dentaires, mais l’attaque corrosive a

aussi un rôle à jouer. En effet, des échantillons d’acier inoxydable (entre autres

alliages) contenant 18,43% de Cr et 9,37% de Ni ont été testés au potentiostat dans

un milieu synthétique. Ils ont alors déduit que la diminution du pH de la solution

(par addition d’acide lactique) favorise la corrosion en augmentant le courant de

passivité [12]. Platt [15] note un comportement particulièrement défavorable pour des pH inférieures à

4. Des signes de corrosion localisée sont détectés à pH acide (entre 3 et 4) notamment

en présence d’ions chlorures. De plus, pour Brugirard [12], un pH très bas (pH < 5)

entraîne des pics de corrosion plus grands et donc augmente la tendance à la dissolution

des alliages étudiés. Cependant, une acidité moyenne (pH=5) a donné des tracés très

proches de ceux obtenus pour le pH 6,5.

Pour plusieurs auteurs, les aciers inoxydables et les alliages Ni-Cr sont très sensibles à la

corrosion localisée par piqûres et crevasses. Ils expliquent cela par la survenue d’une

rupture des films de passivité qui protègent la surface du matériau, grâce à la présence

dans leur composition d’éléments naturellement passifs tels que le Cr et le Ni *18, 19+.

L’oxydation de la surface du métal permet la formation d’un film passif le protégeant.

Mais dans certaines conditions il y a rupture locale avec reprise du processus d’oxydation

[20].

De plus, la corrosion localisée par piqûre est la forme de corrosion la plus fréquemment

rencontrée dans les attachements orthodontiques [3, 14].

L’acier inoxydable montre, au microscope électronique à balayage, un aspect

austénitique avec présence de rainures qui sont en rapport avec des défauts

d’usinage et de polissage et qui peuvent constituer des points d’ancrage et

d’attaques électrochimiques [12].

D’autre part, Kim [19], affirme que l’examen au microscope électronique de

l’acier inoxydable (entre autres alliages), préalablement exposé à une polarisation,

présente une importante corrosion localisée.

CONCLUSION : L’étude des phénomènes de corrosion est très importante. En effet, les biomatériaux

sont en principe biocompatibles. Mais certaines conditions peuvent entraîner

l’apparition de phénomènes de corrosion ce qui pourrait avoir des effets secondaires.

Ceux ci vont se manifester soit par des colorations dentaires ou gingivales, ou par une

allergie. En effet, la corrosion de ces alliages va engendrer une libération d’ions dans la

cavité buccale et notamment le Ni. L’exposition au Ni est à l’origine de réactions

allergiques chez plusieurs personnes. Ces réactions allergiques sont fonction du mode et

du degré de corrosion de l’alliage.

De plus, la corrosion étant la cause principale de dégradation et de rupture des

biomatériaux, il est nécessaire de la minimiser pour assurer la biofonctionnalité à moyen

et long terme.

Ainsi pour améliorer la résistance à la corrosion des alliages dentaires en général et des

alliages orthodontiques en particulier, il faut :

Essayer de maintenir une bonne hygiène orale pendant le traitement

orthodontique pour minimiser la baisse du pH. Ceci est possible par une bonne

motivation à l’hygiène orale et des séances régulières de maintenance

parodontale;

Eviter l’usure des fils, par une mauvaise manipulation, qui surajoutée à l’usure par

la friction, altère leur état de surface et les rend plus vulnérable à la corrosion

localisée en milieu acide ;

Eviter l’alimentation et les boissons acides pendant la durée de port des

appareillages ;

Rééduquer la respiration buccale ;

Figure 1 : les glucides dans le métabolisme de la plaque bactérienne[9].

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ABSTRACT:

The oral environment is particularly ideal for the biodegradation of metals because of

its properties that accelerate corrosion process. In addition, the great population of

bacteria and fungies present in the mouth accelerates the corrosion of orthodontic

appliences. Besides, orthodontic treatment helps the formation of acidogenic biofilm

clusters, in wich pH can be very acid. The tendency of metals dissolution becomes then

very important in these zones. The action of microbial colonization is two fold: some

species can take up and metabolize metals from alloys and microbial byproducts and

the metabolic processes may alter the conditions of the microenvironment. Thus, the

maintenance of a good oral hygiene during the orthodontic treatment helps minimizing

the decrease of the pH and therefore improves the corrosion behavior of the alloys

present in the mouth.

KEY WORDS: Biologic corrosion – Orthodontic appliance – Biologic medium.