Pengaruh Konsentrasi Fluoride dan pH Terhadap Sifat Korosif Titanium untuk Penggunaan pada Gigi

Abstrak

Titanium digunakan sebagai sebuah logam untuk material biokompatibel seperti implant gigi atau restorasi karena stabilitas kimianya yang sangat baik. Akan tetapi, korosi Ti dalam lingkungan yang mengandung fluoride profilaksis bisa menjadi masalah. Untuk mengklarifikasi efek konsentrasi fluoride dan pH terhadap sifat korosi Ti, maka kami melakukan uji polarisasi anoda dan uji perendaman dalam larutan NaF dengan berbagai nilai konsenrasi dan pH konsentrasi. Ti terlarut dalam larutan uji dianalisis dengan menggunakan spektroskopi massa plasma berpasangan secara induktif. Terlihat batas-batas konsentrasi fluoride yang jelas dan nilai pH dimana sifat korosi Ti mengalami perubahan. Korosi Ti dalam larutan yang mengandung fluoride tergantung pada konsentrasi asam hidrofluorat (HF). Apabila konsentrasi HF dalam larutan lebih besar dari 30 ppm, maka lapisan pasifasi pada Ti akan rusak. Hasil dari penelitian ini menunjukkan adanya hubungan antara konsentrasi fluoride dan nilai pH pada mana korosi Ti terjadi dan penelitian ini juga memberikan data tentang korosi seperti ini pada lingkungan dimana konsentrasi fluoride dan nilai pH telah diketahui.

Pendahuluan
   
Titanium merupakan sebuah logam sangat aktif dengan potensial reduksi standar yang mendekati aluminium. Di sisi lain, titanium memiliki stabilitas kimiawi yang sangat baik, menghasilkan lapisan oksida yang sangat protektif pada permukaannya, dan menjadi pasif. Dengan demikian, titanium memiliki ketahanan korosi yang sangat baik pada berbagai larutan tes, seperti saliva buatan, larutan Ringer, 0,9% larutan NaCl, atau larutan garam fisiologis. Karena karakteristik ini dan karakteristik lainnya, titanium digunakan untuk implant gigi dan restorasi. Akan tetapi, telah dilaporkan bahwa ketahanan korosi titanium hilang pada larutan yang mengandung fluoride (CP titanium) dan alloy titanium tidak bisa tahan paparan terhadap larutan NaF yang melebihi konsentrasi 0,5% (Oda dkk., 1996). Titanium tidak dianggap tahan korosi pada larutan yang mengandung 500 ppm F (mimura dan Miyagawa, 1996). Gel-gel gigi komersial dan obat-kumur yang mengandung fluoride dengan konsentrasi mulai dari 1000 hingga 10000 ppm, dengan pH antara sekitar 3,5 hingga netral, seringkali digunakan untuk aplikasi profilaksis pencegahan karies. Pemakaian obat-kumur atau gel yang mengandung fluoride bisa membahayakan alat titanium jika pH material profilaksis ini berada di bawah netral (Boere, 1995;  Toumelin-Chemla dkk., 1996). Dengan demikian, korosi titanium kelihataannya tergantung tidak hanya pada konsentrasi fluoride tapi juga terhadpa pH. Musti ada hubungan dekat antara faktor-faktor ini. Akan tetapi, penelitian-penelitian yang disebutkan di atas belum mengetahui bagaimana fluoride dan pH mempengaruhi sifat korosif dari titanium. Tujuan dari penelitian kali ini adalah untuk mengklarifikasi hubungan antara konsentrasi fluoride dan nilai pH pada mana korosi titanium terjadi.

Diskusi
   
Dari haisl penelitian ini, jelas bahwa sifat korosi dari titanium dipengaruhi tidak hanya oleh konsentrasi fluoride tapi juga pH. Telah dilaporkan bahwa kepudaran alloy titanium ditemuakan pada larutan NaF konsentrasi 30 ppm (Lausmaa dkk., 1985). Dalam penelitian kali ini, korosi titanium tidak terjadi pada larutan NaF 0,1% (1000 ppm NaF) pada pH 7,1, karena kurva polarisasi anoda mirip dengan yang ditemukan pada saliva buatan dan menunjukkan kepasifan titanium. Dengan demikian, diduga bahwa kepudaran titanium tidak terjadi jika nilai pH larutan netral atau lebih tinggi dari netral. Pada gel atau larutan profilaksis yang mengandung 400 hingga 9000 ppm F, korosi titanium seringkali terjadi (Probster dkk., 1992), karena pH gel-gel dan larutan-larutan ini biasanya lebih rendah dari netral. Pada penelitian ini, korosi titanium juga terjadi pada larutan asam yang mengandung 0,05% NaF (226,2 ppm F) sampai 2% NaF (9048,8 ppm F). Telah dilaporkan bahwa titanium tidak dianggap tahan korosi dalam larutan yang mengandung 500 ppm F pada pH 4 (Mimura dan Miyagawa, 1996). Ini sesuai dengan hasil dari penelitian kali ini, dimana ketahanan titanium terhadap korosi hilang dalam larutan 0,1% NaF (452,4 ppm F) pada pH 4,2.
   
Hasil dari polarisasi anoda dan eksperimen perendaman dalam larutan pada berbagai konsentrasi NaF dan berbagai nilai pH menunjukkan bahwa perilaku korosi titanium berubah drastis (Gbr. 2.3). Gambar 5 menunjukkan batas-batas nilai yang diperoleh dengan polarisasi anoda dan eksperimen perendaman dalam larutan dengan berbagia konsentrasi NaF dan berbagai nilai pH. Aksis horizontal merupakan jumlah total fluoride (ppm) yang terdapat dalam larutan uji. Nilai baas pH bergeser ke sisi pH tinggi pada saat konsentrasi fluoride meningkat. Pencocokan least-square logaritmik menghasilkan hubungan linear berikut antara nilai batas pH dengan logaritma batas konsentrasi fluoride :

pH = 1,49 log(F) + 0,422 (eksperimen polarisasi anoda)
pH = 1,51 log(F) + 0,237 (eksperimen perendaman)
   
Berbagai koefisien korelasi R2 dari hasil yang diperoleh dengan polarisasi anoda dan eksperimen perendaman adalah 0,998 dan 0,999 masing-masing, dan diperoleh korelasi yang baik.
   
Hasil analisis ICP-MS (Gbr. 4) menunjukkan bahwa jumlah titanium yang terlarut dalam larutan dengan konsentrasi fluoride dan nilai pH dalam daerah korosif pada Gbr. 5 sangat rendah. Dengan demikian, cukup wajar untuk menyebutkan bahwa ketahanan korosi dari titanium dapat dipertahankan pada sebuah larutan yang mengandung fluoride dan pH dalam daerah yang non-korosi, sedangkan korosi titanium terjadi pada sebuah larutan dengan konsentrasi fluoride dan pH dalam daerah korosif (Gbr. 5). Disamping itu, telah ditunjukkan bahwa titanium mengalami korosi akibat adanya sedikti NaF jika nilai pH sangat rendah, dan sehingga titanium mengalami korosi bahkan pada pH tinggi jika konsentrasi NaF sangat tinggi. Ini berarti bahwa titanium pada prostesa gigi bisa mengalami korosi dengan mudah pada lngkungan mulut setelah pemakaian gel odontologi, obat-kumur atau pasta gigi yang mengandung fluoride asam.
   
Keberadaan ion F- pada sebuah larutan netral (10.000 ppm F pada pH 6,75) tidak menganggau pembentukan sebuah lapisan protektif, tapi lapisan oksida protektif telah didegradasi dalam lingkungan asam dan yang berfluoridasi (Toumelin-Chemla dkk., 1996). Dalam penelitian ini, ketahanan titanium terhadap korosi dipertahankan pada larutan NaF 2,0% (9048,8 ppm) F) pada pH yang lebih tinggi dari 6,2, tapi titanium mengalami korosi pada larutan dengan pH kurang dari 6,2, sehingga menunjukkan bahwa lapisan oksida protektif dari titanium akan rusak dengan adanya ion F-.
   
Telah diketahui bahwa lapisan oksida pada permukaan titanium dirusak oleh asam hidrofluorat (bard, 1976). Asam hidrofluorat dikenal dapat melarutkan lapisan oksida permukaan dengan reaksi berikut :

Ti2O3 + 6HF --> 2TiF3 + 3H2O,
TiO2 + 4HF --> TiF4 + 2H2O (Boere, 1995), atau
TiO2 + 2HF --> TiOF2 + H2O (Oda dkk., 1996)
   
Diantara fluoridta titanum ini atau oksifluoride titanium, titanium(IV) fluoride (TiF4) merupakan sebuah senyawa yang dapat larut. Dianggap bahwa titanium larut dalam larutan sebagai sebuah ion kompleks yang mengandung fluoride atau sebagai sebuah ion titanium trivalen: Ti --> Ti3+ + 3e. Korosi titanium akan meningkat pada sebuah lingkungan asam, karena ion F- dalam larutan bergabung dengan ion H+ untuk membentuk HF, bahkan jika konsentrasi NaF rendah (Boere, 1995; Oda dkk., 1996). Tabel menunjukkan ion F- bebas yang dianalisis dan kosentrasi HF yang dihitung pada setiap pH dalam 0,05% NaF dan 0,1% NaF. Konsentrasi ion F- pada pH 5,0 adalah 228,6 ppm dalam 0,05% NaF dan 455,0 ppm dalam 0,1% NaF. Nilai-nilai ini sangat mendekati nilai 226,2 ppm (0,05% NaF) dan 452m4 ppm (0,1% NaF), yang kami hitung dengan mengasumsikan bahwa NaF terdisosoasi penuh menjadi ion Na+ dan ion F-. Konsentrasi ion F- bebas berkurnag membentuk HF pada saat pH larutan berkurang. Nilai batas pH dimana ketahanan titanium terhadap korosi bisa dipertahankan adalah 4,0 dalam 0,05% NaF dan 4,3 dalam 0,1% NaF, masing-masing. Konsentrasi ion F- pada nilai batas pH adalah 208,9 ppm dalam 0,05% NaF dan 435,0 pada 0,1% NaF. Akan tetapi, konsentrasi ph sama (21 ppm) pada pH baas untuk kedua kasus. Pada konsentrasi HF yang lebih tinggi dibanding nilai ini, korosi titanium kelihatannya terjadi dengan mudah, sebagaimana ditunjukkan oleh “L” dalam kolom terakhir pada tabel. Ini menunjukkan bahwa ketahanan titanium terhadpa korosi dipengaruhi oleh kosentrasi HF dalam larutan. Dengan demikian, kami juga melakukan eksperimen polarisasi anoda untuk titanum dalam larutan yang hanya mengandung asam hidrofluorat, untuk menguatkan pengaruh konsentrasi asam hidrofluorat (Gbr. 6). Kurva polarisasi anoda dari titanium pada larutan 20 ppm HF menunjukkan kepasifan titanium. Akan tetapi, ketahanan titanium terhadap korosi hilang dalam larutan yang mengandung lebih dari 30 ppm HF. Hasil dari uji polarisasi ini membuktikan konsentrasi HF batas atas yang dihutung sebagai 21 ppm dimana ketahanan korosi titanium dipertahnakan. Sebuah konstanta disoasi asam HF dilaporkan sebagai 5,18 x 10-4 pada 37oC (Sillen dan Martell, 1970). Sekitar 97,7% molekul HF tidak terdisosiasi dalam larutan HF. Dengan demikian, konsentrasi nominal dari HF bisa dianggap sebagai kosentrasi HF yang tidak terdisosiasi. Kosentrasi HF sebesar 21 ppm sangat sesuai dengan nilai yang dihitung, yang menunjuk pada nilai batas korosi titanium dalam uji polarisasi pada larutan NaF. Disimpulkan bahwa ketahanan titanium terhadpa korosi dikendaikan oleh kosentrasi HF dan tergantung pada nilai pH dan kosentrasi fluoride total dalam larutan.
   
Hasil dari penelitian ini memberikan informasi yang sangat bermanfaat untuk memprediksikan apakah titanium akan mengalami korosi jika sebuah material pencegah karies gigi yang mengandung fluoride asam digunakan pada pembersihan permukaan gigi atau pasta gigi yang mengandung fluoride, jika konsentrasi fluoride dan pH dalam lingkungan yang terlibat diketahui.