Characterization of porous nickel-titanium alloys for medical applications

RÉSUMÉ Les alliages poreux de NiTi sont des matériaux très prometteurs pour le replacement de l'os, à cause de leurs propriétés mécaniques et leur structure poreuse. Toutefois le pourcentage élevé de Ni contenu dans l'alliage inquiète encore la communauté scientifique et freine considérablement l'introduction de ce biomatériau. Les alliages de NiTi solides sont déjà utilisés pour la fabrication des implants médicaux particulièrement pour des applications cardiovasculaires et dentaires. Cependant, des études récentes ont montré après l'implantation l'apparition de corrosion sur les dispositifs cardiovasculaires plutôt que prévu. En conséquence une évaluation et une compréhension approfondies de la résistance à la corrosion de ces alliages sont nécessaires. Ainsi l'objectif de cette étude est de caractériser les alliages de NiTi poreux à travers une étude de leur résistance à la corrosion en utilisant de nouvelles approches. La voltammétrie ou polarisation, la Spectroscopie Photoélectronique par rayons-X (XPS), la Spectroscopie Auger (AES), la Calorimétrie Différentielle (DSC), la Microscopie Électronique à Balayage (SEM) et la Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourrier FTIR in situ sont autant de techniques qui sont utilisées pour atteindre notre objectif. La corrosion de ces matériaux a été réalisée par la Voltammétrie simple en mode potentiodynamique puis in situ en la couplant avec la Spectroscopie Infrarouge de Réflexion à Transformée de Fourier (Spectroelectrochimie). D'ailleurs, c'est la première fois que cette méthode est utilisée pour caractériser ces alliages. Elle permet de déterminer les espèces issues de l'interaction entre le matériau et son environnement en fonction du potentiel. Dans le cas de matériaux poreux, la biocompatibilité mécanique est étroitement reliée à sa porosité. Pour bien décrire l'influence de ce paramètre sur les propriétés des alliages NiTi, quatre types de matériaux fournis par différents laboratoires ont été analysés. Les échantillons ont été fabriqués avec la méthode de synthèse par combustion (SHS), suivi d'un traitement thermique à 550°C pendant 30 min dans l'air pour supprimer les contraintes internes provenant du procédé de fabrication et pour optimiser leur comportement mécanique et leur biocompatibilité. Les résultats ont montré que malgré une taille de pore différente, tous les échantillons présentent, des pores ouvertes et interconnectés qui favorisent une meilleure fixation biologique et la croissance de l'os dans le réseau des canaux. Les analyses thermiques ont indiqué que la température du début de la transition de phase martensite-austenite, se produit à 60°C, laquelle est 20°C plus élevée que la température du corps humain. Aussi, le traitement thermique appliqué n'a pas généré des changements au niveau de la porosité des échantillons. L'analyse XPS des quatre types de matériaux indique que la surface subit une oxydation lors du traitement thermique. La couche d'oxyde présente différentes épaisseurs pour les matériaux dans une plage de 310 - 3990 A. L'étude de la corrosion de ces quatre types d'échantillons a permis de faire une corrélation entre leur comportement électrochimique, leur composition chimique et la taille de leurs pores. Plus particulièrement, nous avons montré que la résistance à la corrosion est reliée à la composition chimique des électrodes plutôt qu'à la morphologie de leur surface. Dans un premier temps nous avons observé que l'influence du traitement thermique sur la résistance à la corrosion varie en fonction de la morphologie de l'échantillon. Les potentiels de ruptures mesurés étaient plus élevés pour les échantillons non traités ayant une grande taille de pores. Les matériaux ayant une taille de pores dans une plage de 80-120pm ont montré différents comportements : sur un matériau (B) il n'a pas eu d'effet, tandis que dans les deux autres (A et C) une diminution de la valeur du potentiel de rupture a été constatée. Une amélioration importante a été observée sur le matériau (D) ayant la plus petite taille de pores (35-50pm). Par conséquent, nous avons conclu que l'application du traitement de surface a un effet positif sur les échantillons ayant une petite taille de pores. Aussi il est observé un taux de corrosion plus faible pour les échantillons traités. Ce qui indique que leur résistance à la corrosion est plus élevée. En effet le matériau B qui exhibait le taux de corrosion plus élevé présentait l'absence de certaines espèces d'oxydes de titane Il (Ti2+) ou III (Ti3+). Ayant pu identifier ces espèces dans les autres échantillons (A, C et D), nous en déduisons que la présence des espèces intermédiaires d'oxyde de titane dans l'échantillon entraîne des meilleurs taux de corrosion ainsi que l'amélioration de sa résistance à la corrosion. L'étude par spectroélectrochimie a montré que les échantillons solides possèdent une meilleure résistance à la corrosion que l'échantillon poreux. Cependant, l'échantillon solide poli mécaniquement présente un taux de corrosion aussi élevé que celui du poreux. Nous avons observé que les potentiels de rupture mesurés pour ce dernier sont supérieurs à ceux qui sont mentionnés dans la littérature. Par contre, sa prédisposition à la corrosion par piqûration et crevasse reste élevée. Ceci peut être expliqué par la structure poreuse de l'échantillon. Les résultats de l'étude infrarouge ont aussi montré que chaque type d'échantillon interagit d'une façon particulière. Des interactions Ti-OH ont été observées sur l'échantillon poreux. Il en est de même pour les autres échantillons solides. Sur ces derniers, un pic correspondant à l'interaction OTi(OH)CCH a été observé. Ceci se justifie par le fait que la solution de Hank's qui est notre électrolyte contient du glucose. Cependant une inversion du pic est observée avec les échantillons solides. Ce changement pourrait être dû au traitement de surface. L'échantillon poli par électrochimie présente un comportement plus stable tandis que l'échantillon mécaniquement poli montre un changement de comportement pendant la variation négative de potentiel. En conclusion, les résultats ont montré que la composition chimique en plus de la taille de pore, à un rôle important sur la résistance à la corrosion, autrement dit sur la biocompatibilité. La résistance à la corrosion d'un alliage poreux de NiTi a été étudiée puis comparée à celle des alliages solides. Il a été observé que les alliages du NiTi poreux présente une prédisposition à la corrosion par piqûration et crevasse élevée. CONTENU Shape memory alloys -- Corrosion -- Solid nickel-titanium -- Porous nickel-titanium -- Other porous materials -- Objective -- Experimental procedure -- Characteristics of porous nickel-titanium alloys, for medical applications -- Corrosion resistance of porous nickel-titanium alloys for medical applications -- In situ Fourier transformed infrared reflectane spectroscopy applied to porous and sollid Niti alloys for their electrochemical evaluation