Análisis elemental de materiales dentales contemporáneos con respecto al contenido potencial de berilio.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 19119 (2022) Citar este artículo

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La exposición al berilio (Be) puede provocar patologías pulmonares, como la enfermedad crónica del berilio (CBD). Esta enfermedad profesional ha sido más prevalente entre los técnicos dentales en comparación con la población no expuesta. Aunque la mayoría de los fabricantes afirman que los materiales dentales no contienen Be-traces, esta prevalencia plantea la cuestión de si los materiales están completamente libres de Be-traces. Por lo tanto, el objetivo del presente estudio fue analizar la composición elemental, con énfasis en Be, de una amplia gama de materiales dentales disponibles comercialmente y utilizados frecuentemente por los laboratorios dentales. Se recogieron y analizaron muestras de 32 materiales diferentes mediante espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) y espectroscopía de fluorescencia de rayos X. Los resultados mostraron que el contenido de Be estaba por debajo del límite de cuantificación en todas las muestras incluidas (<0,00005% en masa). Por lo tanto, se puede concluir que posibles trazas de Be estaban por debajo de la relevancia clínica en los materiales dentales. Se debe evaluar más a fondo la exposición de los técnicos dentales a fuentes alternativas de Be.

El berilio (Be) es un elemento químico y un metal ligero de origen natural que encuentra aplicación industrial en equipos electrónicos, aeroespaciales y de defensa1,2,3. En el campo de la odontología, el Be se ha utilizado en aleaciones de níquel-cromo4,5 con contenidos de hasta 2,05% en masa6 para la fabricación de reconstrucciones protésicas. Reduce la temperatura de fusión, disminuye la tensión superficial y aumenta la fuerza de unión entre metales y cerámica7. Además, mejora la colabilidad y el pulido de aleaciones no preciosas.

La fabricación y el procesamiento de materiales que contienen Be es altamente tóxico y los trabajadores están expuestos a la inhalación de partículas, vapores o soluciones de Be8. La exposición breve puede conducir al desarrollo de una enfermedad rara llamada beriliosis aguda9, mientras que el contacto prolongado puede causar sensibilización al Be (BeS)10 y enfermedad crónica del Be (CBD), también conocida como beriliosis crónica10,11. Un comunicado oficial de la American Thoracic Society evaluó la prevalencia de BeS entre 0,9 y 14,6% y de CBD entre 0,0 y 7,8%1. El BeS representa una respuesta mediada inmunológicamente al elemento metálico sin evidencia de enfermedad, mientras que el CBD se considera una afección pulmonar ocupacional incurable y a menudo se diagnostica erróneamente con sarcoidosis u otro trastorno pulmonar granulomatoso10. Los síntomas del CBD son tos, disnea, fatiga, fiebre, sudores nocturnos y reducción de peso3,8 con potencial progresión a la pérdida de la función respiratoria12. Un antecedente de exposición ocupacional al Be, una prueba positiva de proliferación de linfocitos de berilio (BeLPT) y un examen bióptico, que confirma una inflamación granulomatosa de los pulmones, se consideran signos para el diagnóstico definitivo de CBD1. Los períodos de incubación pueden durar hasta tres décadas13. Debido a la evidencia disponible de carcinogenicidad en humanos y al riesgo de desarrollar cáncer de pulmón por exposición ocupacional, el Be y sus compuestos también han sido clasificados como carcinógenos de categoría 1 por la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer14.

Como consecuencia de la mayor exposición ocupacional al Be en los laboratorios dentales, los técnicos dentales parecen tener un mayor riesgo de desarrollar principalmente CBD8,15,16,17,18. Por lo tanto, para proteger a los trabajadores, la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional estableció recientemente un nuevo límite de 0,2 µg de Be por metro cúbico de aire durante una exposición de ocho horas o de < 2 µg de Be por metro cúbico de aire durante más de 15 min18. Según la actual norma ISO para restauraciones fijas y removibles (ISO 22674:2016), el valor límite de Be en materiales metálicos es 0,02% (fracción de masa)19. La exposición al Be se considera el agente causal del desarrollo del CBD y aún no está claro por qué los técnicos dentales podrían verse más afectados. Por lo tanto, el presente estudio tuvo como objetivo determinar la composición elemental de materiales dentales de uso común y evaluar la cantidad exacta de Be. Se incluyeron aleaciones de metales preciosos y no preciosos utilizados para fabricar reconstrucciones protésicas. Además, se analizaron diferentes tipos de cerámica dental, aleaciones de titanio, polimetilmetacrilato (PMMA), poliéter éter cetona (PEEK) y policarbonato. La espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) representa una técnica analítica altamente sensible con una amplia cobertura elemental y se aplicó en el presente estudio20,21. La hipótesis nula en la conceptualización del estudio asumió que los materiales evaluados contienen trazas de Be.

El trabajo analítico fue realizado por el Instituto de Materiales Aplicados – Física de Materiales Aplicados del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen, Alemania. La propuesta de estudio para la cooperación entre el Departamento de Odontología Protésica y la Clínica de Medicina Respiratoria de la Universidad de Friburgo, Friburgo, Alemania, y el KIT fue aprobada y aceptada por Karlsruhe Nano Micro Facility en 2020.

En la presente investigación se evaluaron cuatro aleaciones no preciosas (Co-Cr) y cinco preciosas (Au). Además, se incluyeron siete cerámicas a base de ZrO2, dos cerámicas feldespáticas, una cerámica de vidrio de disilicato de litio (Li2Si2O5), una cerámica de vidrio de nanofluorapatita y un composite nanohíbrido para revestimiento. Además, se examinaron cinco pilares implantosoportados de titanio o ZrO2, tres materiales a base de PMMA, un policarbonato y un PEEK. Las muestras evaluadas representaron una selección de los materiales más utilizados para cada categoría en dos laboratorios dentales alemanes, que proporcionaron las muestras para el análisis elemental. En la Tabla 1 se ofrece una descripción general de los materiales investigados y su nombre comercial y número de artículo.

Las muestras se dividieron en siete grupos diferentes en función de su diferente composición química. En la Tabla 2 se describen las preparaciones preanalíticas y la digestión química para cada grupo.

Cada solución de muestra se diluyó varias veces dependiendo de la concentración de los distintos elementos. En lugar de utilizar métodos de dilución volumétrica, se pesaron la solución de muestra y el agua ultrapura (XP 205, Mettler-Toledo, Gießen, Alemania). El análisis de los elementos se realizó con cuatro soluciones de calibración diferentes y un estándar interno (Sc) mediante ICP-OES (iCAP 7600 ICP-OES Duo, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, EE. UU.) (Tabla 3). Para Be, la solución se adaptó, si fuera necesario, a la matriz (Ti, Co, Cu, Zr, Mo, Pd, In, W, Pt, Au). El rango de las soluciones de calibración se amplió de 0,0005 a 0,01 mg/l. Para el cálculo se utilizaron de una a tres longitudes de onda de Be.

Todas las muestras se analizaron semicuantitativamente mediante espectroscopía de fluorescencia de rayos X (XRF) (Pioneer S4, Bruker AXS, Karlsruhe, Alemania) frente a diferentes calibraciones universales dependiendo del material de las muestras (metal, óxido, etc.).

Las soluciones de calibración de ICP certificadas (Aesar, Thermo Fisher (Kandel) GmbH, Karlsruhe, Alemania, CPAChem, Bogomilovo, Bulgaria) se controlaron con otra solución de ICP certificada de un productor diferente (Agilent, Waldbronn, Alemania; Merck, Darmstadt, Alemania). La recuperación de estos estándares en soluciones adaptadas a matrices estuvo entre el 95 y el 105%.

Los resultados del análisis elemental se describen en las Tablas 2, 3, 4, 5 y 6 como resultado medio, desviación estándar (DE) e incertidumbre de medición (±). Los datos relativos a los óxidos son resultados semicuantitativos determinados con XRF frente a una calibración universal. Los resultados se normalizaron a 100.

Los resultados detallados del análisis elemental ICP-OES se muestran en las Tablas 4, 5, 6, 7 y 8.

El límite de cuantificación de Be en el análisis ICP-OES es de 0,1 mg/kg (Tabla 4). Este nivel de Be no se pudo medir en ninguna muestra de aleación dental no preciosa. Co fue el componente principal en todas las muestras estudiadas, seguido del Cr. Heraenium PW (15,9 % en masa) y Remanium Star (9,6 % en masa) son los únicos que contienen W; Heranium PW mostró la mayor cantidad de Fe (4,2% en masa).

El componente principal de todas las aleaciones preciosas fue el Au (50,8–84,6% en masa; Tabla 5). Maingold EH y Bio Maingold SG presentaron también Cu, Ag y Pt, mientras que en Bio Herador GG el segundo elemento principal, además de Au, fue Pt. Heraloy G mostró la mayor cantidad de Pd (35,9% en masa) y Ecobest la mayor cantidad de Ag (29,1% en masa). Be no se determinó en ninguna de las muestras de aleaciones de metales preciosos analizadas (límite de cuantificación de 0,04 mg/kg).

Los datos de los tres elementos más presentes son semicuantitativos y se determinan con XRF frente a una calibración universal. Los datos de concentración pueden variar desde más del 25 hasta < 5%. Los resultados se normalizaron a 100. La concentración de las cerámicas de óxido probadas resultó por debajo del límite de medición de 0,5 mg/kg (Tabla 6). Todas las cerámicas de óxido investigadas tenían un contenido de Zr entre 66,1 y 68% en masa. Y estaba contenido en todas las muestras y DD cubeX2® ML (7,6% en masa) mostró el contenido más alto. Además, en todas las muestras se detectó Hf, que pertenece al grupo de los metales pesados, con un contenido entre 1,29 y 1,55 % en masa.

En cuanto a las cerámicas de óxido, se obtuvieron resultados semicuantitativos con XRF frente a una calibración universal. Los datos de concentración pueden variar en más del 100% en concentraciones < 5% y los resultados se normalizaron a 100. Ninguna de las muestras evaluadas contenía Be (límite de cuantificación < 0,2 mg/kg) (Tabla 7). IPS e.max Press contenía 76% en masa de SiO2, mientras que IPS e.max Ceram contenía 49,1% en masa de SiO2 con un mayor contenido de ZrO2 (9,49% en masa) en comparación con los otros grupos. Gradia™ Plus es el único compuesto nanohíbrido investigado que contiene BaO (41,3% en masa), el segundo componente más grande de este material después del SiO2 (49,8% en masa).

El análisis elemental de los pilares del implante mostró que el pilar estándar SIC y el cara i-abutment ® titanio tenían una composición elemental similar (Tabla 8). Ambos consistían en aproximadamente 90% en masa de Ti, 4% en masa de V y 6% en masa de Al. Se midió que el pilar RN Variobase tenía 100% en masa de Ti (con una desviación estándar de 0,5% en masa y una incertidumbre de medición de 2,4% en masa). Los valores de Al, Ti y V estaban por debajo del límite de detección respectivo. Por lo tanto, un posible contenido de Be estuvo por debajo del límite de detección para todas las muestras evaluadas.

El análisis de los tres materiales de PMMA, un PEEK y un policarbonato reveló un contenido de Be < 0,08 mg/kg para todas las muestras evaluadas (Tabla 9).

El objetivo de este estudio fue investigar múltiples materiales dentales utilizados actualmente en relación con su posible contenido de Be. Hasta donde sabemos, ningún estudio ha realizado un análisis elemental para la detección de Be utilizando un amplio espectro comparable de diferentes materiales dentales, que incluye aleaciones preciosas y no preciosas, cerámica, PMMA, PEEK y policarbonato. Es importante destacar que, debido a los bajos límites de exposición ocupacional (0,2 mg Be/m3 de aire), se necesita una metodología muy sensible para determinar la concentración de Be en niveles ultratraza.

Be ha sido ampliamente utilizado en las últimas décadas para fabricar aparatos dentales22,23. Hasta la fecha, la exposición al Be se considera "un peligro industrial moderno"24 que puede provocar sensibilización y al CBD, una enfermedad pulmonar crónica2. Un factor clave para la gestión del CBD es la prevención de la exposición al Be en el lugar de trabajo y en el medio ambiente25. Frye et al. describieron un grupo de trabajadores en una industria no directamente relacionada con el procesamiento de Be y que padecían BeS causado por los altos niveles de Be contenido en el polvo de hormigón25. Es obligatorio disponer de equipo de protección adecuado y medidas preventivas para reducir el riesgo de enfermedades respiratorias. Además, se deberían realizar exámenes médicos de rutina, al igual que para otras categorías de trabajadores altamente expuestos. Aunque la exposición al Be en los lugares de trabajo está estrictamente regulada por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional, controlarla es difícil26. Los técnicos dentales tienen mayor riesgo de desarrollar trastornos respiratorios ocupacionales como la neumoconiosis, causada por la exposición al polvo durante la manipulación de materiales dentales27,28,29,30. Todavía parecen representar una población con mayor riesgo de sufrir trastornos asociados a Be en comparación con los trabajadores no expuestos a pesar del uso cada vez mayor de materiales libres de Be17,31. Además, aunque varios fabricantes utilizan el término "libre de berilio" para denominar sus productos dentales, el umbral de concentración para definir un material "libre" de Be aún no está definido. Otros grupos de investigación se propusieron evaluar la cantidad de Be contenida en los materiales dentales. Alkmin et al. investigaron las características microestructurales de ocho aleaciones de Ni-Cr en el comercio6. Las muestras se analizaron utilizando un espectrómetro de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES). De las ocho aleaciones investigadas, cinco presentaron trazas de Be hasta 2,05% en masa y en dos de estos casos, la cantidad de Be no fue reportada por el fabricante.

Existen diferentes métodos para el análisis elemental de ICP. Por un lado, la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente se basa en una fuente de ionización de alta temperatura emparejada con un espectrómetro de masas. Después de la nebulización, las muestras se atomizan y se generan iones para el análisis de masas20,21. Por otro lado, la tecnología ICP-OES se basa en la transmisión de luz en longitudes de onda específicas por átomos que se mueven a un nivel de energía más bajo. El tipo de elemento y la concentración se calculan en función de la posición y la intensidad de los rayos de fotones. Todas las investigaciones analíticas de este estudio se realizaron con ICP-OES, que permite un seguimiento preciso de múltiples elementos con alta sensibilidad y bajos límites de detección.

Dentro del límite de cuantificación del método adaptado, las trazas de Be oscilaron entre menos de 0,000004 y 0,00005% en masa, según el grupo de materiales analizados. Sobre la base de estos análisis, realizados a nivel de ultratrazas, se puede evaluar que las trazas de Be no tienen importancia clínica en las muestras evaluadas. Por lo tanto, debe rechazarse la hipótesis nula de la presente investigación, suponiendo que los materiales dentales investigados contengan trazas de Be. No se encontró Be en los materiales investigados, pero más estudios independientes deberían abordar la composición elemental de los materiales dentales usados, centrándose en los metales pesados. Se debe buscar continuamente una comprensión profunda de los riesgos para la salud y el desarrollo de estrategias para minimizar la exposición ocupacional a los peligros.

Estos resultados, sin embargo, plantean más preguntas sobre la mayor prevalencia de trastornos asociados a Be en los técnicos dentales y una explicación basada en evidencia. En primer lugar, algunos de los estudios se realizaron hace varios años8,15,32, y la identificación de riesgos para la salud, así como las consiguientes restricciones adoptadas, podrían haber provocado la modificación de las composiciones de los materiales por parte de los fabricantes. En segundo lugar, a pesar del análisis a gran escala, las muestras analizadas representan sólo una fracción mínima de los materiales utilizados actualmente en los laboratorios dentales. Finalmente, también se debe considerar que este estudio incluyó solo materiales utilizados en laboratorios dentales alemanes, mientras que los artículos más recientes que describen la prevalencia de enfermedades asociadas a Be en técnicos dentales fueron evaluados en otros países17,31,33. A pesar de los análisis de una gran cantidad de muestras mediante varios métodos sensibles, este estudio tiene algunas limitaciones, incluida la restricción del área geográfica a Alemania y a ciertos tipos de material. Las evaluaciones análogas deberían considerarse en futuras investigaciones que involucren a un grupo más amplio de materiales y diferentes países.

Con base en el análisis elemental descrito, se pueden sacar las siguientes conclusiones:

El método ICP-OES aplicado permitió un análisis elemental altamente sensible a niveles de ultratrazas.

La concentración estuvo por debajo del límite respectivo de cuantificación (< 0,00005 % en masa) para todas las muestras evaluadas.

Se necesitan más estudios para evaluar la cantidad de Be en los materiales dentales actualmente comercializados.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Enfermedad crónica de berilio

Prueba de proliferación de linfocitos de berilio

3 Policristal de circonio tetragonal estabilizado con itria

4 Policristal de circonio tetragonal estabilizado con itria

5 Policristal de circonio tetragonal estabilizado con itria

ser sensibilización

Plasma acoplado inductivamente

Espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente

Poliéter éter cetona

Polimetacrilato de metilo

Espectroscopia de fluorescencia de rayos X.

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Los autores agradecen al MDT Ulrich Lamott (Lamott Zahntechnik GmbH, Emmendingen, Alemania) y al MDT Wolf Woerner (Labor Woerner GmbH, Friburgo, Alemania) por su apoyo a esta investigación al proporcionar amablemente las muestras investigadas.

Financiamiento de Acceso Abierto habilitado y organizado por Projekt DEAL.

Estos autores contribuyeron igualmente: F. Burkhardt y S. Pieralli.

Departamento de Odontología Protésica, Facultad de Medicina, Centro Médico, Centro de Medicina Dental, Universidad de Friburgo, Friburgo, Alemania

F. Burkhardt, S. Pieralli, G. Wemken, C. Wesemann y BC Spies

Instituto de Materiales Aplicados, Física de Materiales Aplicados (IAM-AWP), Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen, Alemania

T. Bergfeldt

Facultad de Medicina, Centro Médico – Clínica de Medicina Respiratoria, Universidad de Friburgo, Friburgo, Alemania

D. Orgullo

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BCS, FB y SP concibieron las ideas; FB y SP recogieron los datos; TB analizó los datos; FB y SP lideraron la redacción; BCS, CW, GW, TB y DS revisaron y aprobaron el manuscrito; CW y GW proporcionaron los recursos; BCS y DS supervisaron la investigación.

Correspondencia a S. Pieralli.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Burkhardt, F., Pieralli, S., Bergfeldt, T. et al. Análisis elemental de materiales dentales contemporáneos con respecto al contenido potencial de berilio. Informe científico 12, 19119 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21068-9

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Recibido: 21 de junio de 2022

Aceptado: 22 de septiembre de 2022

Publicado: 09 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21068-9

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