I N V E S T I G A T I OONFSV I T R E O UASN DP Y R O L Y T I C
C A R B O N - M E T AA
L L ILCO YS U R G I C ABLI O M A T E R I A L S
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a n a nI ,. L . B a s w e l l a n d N . G . T h o m p s o n
J.E.
Deoartmeno
t f Biomaterials and School of
E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t y o f A l a b a m ai n B i r m i n g h a m3 5 2 9 4 U S A
R e s u l t sa n d D i s c u s s i o n
Vitreousand pyro'lytic formsof carbonhave been
u s e de x t e n s i v e l y a s s y n t h e t i cb i o m a t e r j a l s f o r t h e
o tf , a u g m e n t a t i oonf , a n d a t t a c h m e n tt o
replacemen
b i o l o g i c a lt i s s u e sL. 2 O n es u c hd e v i c e i n v o i v i n g
t h e i n t e g r a t e du s e o f c a r b o n a n dm e t a l l i c a l l o y s ,
the vitreous carbontooth root replacementsystem,
j s s c h e m a t i c a l il lyl u s t r a t e d j n F i g u r e l .
The
ery
b i o c a r b o n s ,i n g e n e r a l , h a v ed e m o n s t r a t ev d
s for
bi l i ty and the prognosi
e bi ocompat'i
acceptabl
e x p a n d i ncgl i n i c a l a p p l i c a t i o n iss q u i t e g o o d .
Thenumber
of vitreous carbondevices examined
jn
and the 'irregular features found are summarized
T a b l eI . T h ef i r s t t h r e e g r o u p sw e r ee x a m i n epdr i o r
t o t h e g e n e r a ir e l e a s eo f t h i s i m p l a n ts y s t e m . T h e
l a s t g r o u pe x a m i n esdt e r e o m i c r o s c o p i c a l l yG, r o u p1 0
s h o w endo s i g n i f i c a n t i r r e q u l a r f e a t u r e s . I n o u r
opini on, thi s numberof i rregular features
It
was
r e p r e s e n t sa s i g n i f i c a n t s t a t i s t i c .
prbviouslypropósed3
that these type featurescould
i n f l u e n c e e l e c t r o c h e m i c a(l b i o d e g r a d a t j o na) n d
m e c h a n i c a( ls t r e n g t ha n d f r a c t u r e ) p r o p e r t i e s .
B i o m a t e r i aAl n a l y s e s
V i t r e o u sa n dp y r o l y t i c c a r b o ns p e c i m e nr se c e i v e d
f o r l ' í m i t e dc l i n i c a l t r i a l s w e r es u b j e c t e d t o l a b o r a t o r y e x a m i n a t i o n . A n u m b e ro f t h e v i t r e o u s
c a r b o nd e v i c e s , *w h e ne x a m j n esdt e r e o m j c r o s c o p i1cya l
a n d r a d i o g r a p h i c a l l ys, h o w e idr r e g u l a r s u r f a c e a n d
internal features. Manyof these features appeared
as cracks wjth someextending from the external
c a r b o ns u r f a c e t o t h e s t a i n l e s s s t e e l c o r e .
and longiM e t a l l o g r a p h iacn a l y s e so f t r a n s v e r s e'interconnectsurface to core
tudjnal sectionsshowed
ed features.'
T o e s t a bjls h b a s i c d a t a o n p o s s i b l ee l e c t r o c h e m i c ailn f l u e n c e so f c o - e x p o s u r eo f c a r b o n a n d
m e t a l l i c a 1 1 o ym a t e r i a l st o b i o l o g i c a l e n v i r o n m e n t s ,
corrosion experimentswere
in vitro laboratory
q
l-niTTá-ated.Mjxed-potential corrosjontheory and
potentiostatic polarizat'ion data wefg
accompanying
*'
usedio áetérminecoirosion rates of carbon-metal
these corrosionrates with
couples,and then compare
t h o s eo f t h e i n d i v i d u a la l l o y s . A n o d j ca n dc a t h o d i c
p o l a r i z a t i o nc u r v e sw e r eg e n e r a t e idn j s o t o n i c s a l j n e
( 0 . 9 %N a C l )s o l u t i o n a t a p H o f 7 . 0 a n d a t e m p e r a t u r e
o f 3 7 . 0 0 C . T h ea n o d i cd i s s o l u t i o n c u r v e so f
s t a i n l e s ss t e e l ( S l O l -a) n dT j v a n i u m( T i - 6 A l - 4 V )
n n i t r o g e n - s a t u r a t esdo l u t i o n .
a11oyw
s e r em e a s u r ei d
T h ec a t h o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e s o f t h e t w o a l 1 o y s
and pyrolytic carbon weredeterminedin oxygens a t u r a t e ds o l u t i o n . E x t r a p o l a t i o no f t h e T a f e l
r e g i o n so f t h e c a t h o d i cp o l a r i z a t i o nc u r v e st o t h e i r
r e i p e c t i v ei n t e r s e c t i o n sw i t h t h e a n o d i cd i s s o l u t i o n
c u r v e sa l l o w e dc o r r o s i o nr a t e s t o b e g r a p h i c a ' l 1 y
dete rmined.
89
T h ep o t e n t i o s t a t i c p o l a r i z a t i o n c u r v e s f o r
p a s s i v a t eTd i - 6 A l - 4 Va n d 3 1 6 Ls t a i n l e s ss t e e l w i t h
pyrolytic carbon are shown in Figures 2 and 3
r e s p e c t i v e l y . W i t h t h e s e r e s u l t s a n db y a p p l i c a t i o n
l e o r y ,t h e e f f e c t o f c a r b o n - t o o f m i x e d - p o t e n t i at h
m e t a l a r e a r a t i o o n c o r r o s i o nr a t e w a se v a l u a t e d .
T h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e dt h a t t h e T i - 6 A 1 - 4 V
l couple would not
a1'loy in a pyro'lytic carbon-meta
c o r r o s i o na t a s i g n i f i c a n t i y m o r er a p i d r a t e
undergo
t h a n t h e a 1 1 o ya l o n ei n s i m u l a t e db o d yf l u j d s , e v e n
i f t h e c a r b o n - t o - m e t a rl e a r a t j o w a s q u i t e 1 a r g e .
T h i s r e s u l t i s t a k e nf r o m i n s p e c t i o n o f F i g u r e 2
w h e r ei t i s n o t e dt h a t a l l c u r v e i n t e r s e c t i o n sa r e
l o c a t e df a r b e l o wt h e a p p a r e nttr a n s p a s s i v pe o t e n t i a l
o f T i - 6 A l - 4 V . I n t h e c a s eo f s t a j n l e s s s t e e ' I ,
hov'lever, the results jndicate that the presenceof
pyrolytic carbonwouldacceleratethe corrosionrate
t h r o u g ht h e p i t t i n g c o r r o s i o nm e c h a n i s m ,a n d t h a t
the detrimentaleffect of carbonwouldgrowworse as
t h e c a r b o n - t o - m e t a rl e a r a t i o i n c r e a s e d . T h i s
r e s u l t i s d r a w nf r o m i n s p e c t i o no f F i g u r e3 w h e r ei t
js noted that the curve intersect'ionsare very close
t o o r j n t h e t r a n s p a s s i v ree g i o no f 3 1 6 Ls t a i n l e s s
dn
s t e e l . F u r t h e r m o r ep'' i t t i n g c o r r o s i o nw a so b s e r v e o
t h e s a m o l es u r f a c e sa t n o b l ep o t e n t i a l sa s l o w a s
+ 0 . . lv o l t .
T h eo o s t c l i n i c a l i m p l a n t a t i o nv ' i t r e o u s c a r b o n
s t e r e o m i c r o s c o pejvca l u a t i o n s , G r o u p1 1 o f T a b l eI ,
One
showedtwo deviceswith irregular features.
pitt'ing
device had fractured in vivo and showed
c o r r o s i o no f t h e s t a i n l e s s s t e e l c o r e . T h e r e l a t i v e
a r e a r a t j o o f c a r b o nt o m e t a l w a s h i g h i n t h i s
I n o u r o p i n i o n , t h i s e x a m p l ep r o v i d e s
situation.
s o m es u p p o r t f o r p r e v i o u s p r e d i c t i o n s t h a t c e r t a i n
t y p e s o f c a r b o n - t o - m e t aal l l o y c o u p l e si n b i o l o q i c a l
e n v i r o n m e n t cs a n c o m p r o m i sbej o c o m p a t j b j l i t y c r i t e r i a ,
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RESULTS
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S t a i n l e s sS t e e la n dP y r o l y t i cC a r b o n .
S c h e n n t i cD r a w i n go f V i t r e d e n t
T o o t h R o o t R e p l a c e m e nSt y s t e m .
N U M B EO
RF IRREGULAR
S
G R O U PS P E C I M E NFEATURES
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271
348
4-7
8-10
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85
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T A B L EI .
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COMMENTS
E a r ¡ y d e s i g n - n ob i g g r o o v e s
E a r l y d e s i g n - n ob i g g r o o v e s
Cljnjcal design
R e c e i v .f o r c l i n i c . p l a c e .
R e c e i v .f o r c l i n i c . p l a c e .
Post cl i nical ol acement
specm
i e n (sr e c . f r o m d e n t is t s )
3 v i e w r a d i o q r a p h i ce v a l u a .
N o n d e s t r u c t i v eS t e r e o mcir o s c o p i ca n d
R a d i o g r a p h i cE x a m j n a t ' i o nosf V j t r e o u s
C a r b o nT o o t h R o o t R e p l a c e m e nSt y s t e m s .
R e f er e n c e s
( r) D . E . G R E N O BaLnEd R . V 0 S S ,A n a l y s i so f
F iv e Y e a r s
o f S t u d y o f V i t r e o u s C a r b o nE n d o s s e o u sI m p
Iants
s ,r a 1I m p l a n t o l o g 6y , 5 0 9 - 5 2 (51 e 7 7 ) .
i n H u m a nO
(2\ d.c. B0KROS
R ,. J . A K I N S ,H . S . S H I l v A
| ,. D . H A U B o L D
a n d N . K . A G A R W APLr,o s t h e s e sM a d e o f
C h e m t e c h .J, a n u a r y, 4 0 - 4 9 ( 1 9 7 7 ) .
Carbon,
( 3 ) J . E . L E M 0 NBSi,o m a t e r i a lSsc i e n c e
P r o t o c o l sf o r
C l j n i c a l I n v e s t j g a t i o n s0 f P o r o u sA l u m j n a
C e r a m iac n d V j t r e o u sC a r b o nI m p l a n t s ,J . B j o m e d .
M a t e r .R e s .S y m p .6, , 9 - . l 6( ' 1 9 7 5 ) .
i -6Al -4V
( 4 ) N . c . T H 0 M P SR
0N
. A, .B U C H A NaAnNd,J . E . L E M o N S ,
I n V i t r o C o r r o s i o no
a la l v a n i c
. lf1 C
6 ,a r b o n - M e tG
C o u p l e sA, b s t . N o .
S o c i e t yf o r B i o m a t e r j a l s
S y m p, . 2 7 ( 1 9 7 7,)
U
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J
z.
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* S a m p l e sf u r n i s h e d b y V i t r e d e n t C o r p o r a t i o n ,
L o s A n g e i e s ,C A . , U S A .
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C U R R E(N
F I G U R2E.
* * P y r o l y t i c c a r b o ns a m p i e ss u p p l i e d b y M e d i c a 1
l tomics,
P r o d u c t sD i v j s j o n , G u l f G e n e r a A
S a nD i e g o ,C A . , U S A .
RN
E S U L TFSO RT . i - 6 A -I 4 V
POLARIZATIO
and Pyroiytjc Carbon.
90