Wear of PEEK-Ti6Al4V systems under micro-abrasion and linear sliding conditions

Abstract

In dentistry, prosthetic structures must be able to support masticatory loads combined with a high biocompatibility and wear resistance in the presence of a corrosive environment. Also, abrasive wear is inevitable at exposed tooth or restorative surfaces, during mastication and tooth brushing. Thus, this work is dedicated to the tribological characterization of PEEK/Ti6Al4V systems under reciprocating sliding conditions in presence of artificial saliva taking in consideration tribocorrosion aspects, being also considered the micro-abrasion wear behavior of the same systems in presence of slurry containing hydrated silica particles representative of the abrasive agent present on toothpastes. In order to improve the simultaneous wear and corrosion response of highly biocompatible prosthetic structures, a veneering poly-ether-ether-ketone (PEEK) to Ti6Al4V substrate was assessed by tribocorrosion tests under conditions mimicking the oral environment. Samples were synthesized by hot- -pressing the PEEK veneer onto Ti6Al4V cylinders (8 mm diameter and 4 mm thick). The tribocorrosion tests on Ti6Al4V or PEEK/Ti6Al4V samples were performed on a reciprocating ball -on-plate tribometer at 30 N normal load, 1 Hz and stroke length of 3 mm. The tests were carried out in artificial saliva at 37 ºC. Open circuit potential (OCP) was measured before, during and after reciprocating sliding tests. Regarding the abrasive wear resistance, PEEK and Ti6Al4V samples were compared by under three-body abrasion conditions considering different hydrated silica content and applied loads. Micro-scale abrasion tests were performed at 60 rpm and on different normal loads (0.4, 0.8 or 1.2 N) for 600 revolutions of the testing ball using suspensions with different weight contents of hydrated silica. In order to identify the dominant wear mechanisms the worn surfaces obtained from tribocorrosion and micro-abrasion tests were characterized by scanning electron microscope (SEM). The tribocorrosion results revealed a lower wear rate on PEEK combined with a lower coefficient of friction (COF), when compared to Ti6Al4V. In fact, PEEK protected Ti6Al4V substrate against the corrosive environment and wear avoiding the release of metallic ions to the surrounding environment. The microabrasion results showed a higher volume loss on PEEK than that recorded on Ti6Al4V, when subjected to three-body abrasion tests involving hydrated silica suspensions. An increase of the volume loss was noted on both tested materials when the abrasive content or load was increased.

Na dentária, as próteses devem ser capazes de suportar cargas mastigatórias, combinadas com uma alta biocompatibilidade e resistência ao desgaste na presença de um ambiente corrosivo. O desgaste abrasivo é também inevitável no dente ou em superfícies restauradoras, durante a mastigação e escovagem dos dentes. Assim, este trabalho é dedicado à caracterização tribológica de sistemas PEEK/Ti6Al4V em condições de deslizamento linear alternativo na presença de saliva artificial tendo em consideração os aspetos de tribocorrosão, sendo também considerado o comportamento de desgaste por micro-abrasão no mesmo sistema, na presença de uma solução contendo partículas de sílica hidratada representativas de um agente abrasivo presente em pastas dos dentes. De forma a melhorar a resistência ao desgaste e à corrosão de estruturas de próteses altamente biocompatíveis, foi considerado um recobrimento de poli-éter-éter-cetona (PEEK) sobre um substrato de Ti6Al4V o qual foi testado por tribocorrosão, em condições que procuraram imitar o ambiente oral. As amostras foram sinterizadas a quente sendo que o recobrimento de PEEK foi processado sobre o substrato de Ti6Al4V (8 mm de diâmetro e 4 mm de altura). Os testes tribocorrosão em amostras de Ti6Al4V ou PEEK/Ti6Al4V foram realizados num tribómetro de esfera-placa, com movimento linear alternativa da placa, para uma carga normal de 30 N, 1 Hz de frequência de oscilação e 3 mm de comprimento de pista. Os testes foram realizados em saliva artificial a 37 °C. O potencial de circuito aberto (OCP) foi medido antes, durante e após testes de deslizamento. Em relação à resistência ao desgaste abrasivo, foram comparadas amostras de PEEK e de Ti6Al4V, em testes de micro-abrasão, com diferentes concentrações de sílica hidratada e diferentes valores de carga aplicada. Os testes de micro-abrasão foram realizados a velocidade constante de rotação da esfera (60 rpm), para diferentes cargas (0.4, 0.8 ou 1.2 N) e durante 600 rotações, usando diferentes concentrações de sílica hidratada. De forma a identificar os mecanismos de desgaste dominantes, as superfícies de degaste obtidas nos testes de tribocorrosão e de micro-abrasão foram caracterizadas por microscopia eletrónica de varrimento (SEM).