Caractérisation électrochimique et biologique du Ti

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2312 (2023) Citer cet article

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Les performances des alliages de titane biomédicaux actuels sont limitées par des conditions inflammatoires et inflammatoires graves après l'implantation. Dans cette étude, un nouvel alliage Ti – Nb – Zr – Si (TNZS) a été développé et comparé au titane commercialement pur et à l'alliage Ti – 6Al – 4V. Les paramètres électrochimiques des échantillons ont été surveillés pendant 1 h et 12 h d'immersion dans une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) comme milieu normal, PBS/peroxyde d'hydrogène (H2O2) comme milieu inflammatoire et PBS/H2O2/albumine/lactate comme milieu inflammatoire sévère. Les résultats ont montré un effet du H2O2 en cas d'inflammation et le comportement synergique du H2O2, de l'albumine et du lactate en cas d'inflammation sévère pour diminuer la résistance à la corrosion des biomatériaux à base de titane. Les tests électrochimiques ont révélé une résistance à la corrosion supérieure du TNZS dans toutes les conditions grâce à la présence de phases siliciurées. Le TNZS développé a été testé pour une enquête ultérieure sur culture cellulaire afin de comprendre sa nature de biocompatibilité. Il a présenté des interactions cellules-matériaux favorables in vitro par rapport au Ti – 6Al – 4V. Les résultats suggèrent que l’alliage TNZS pourrait être un biomatériau compétitif pour les applications orthopédiques.

La demande d'implants artificiels augmente à mesure que la population âgée augmente dans les différents pays1. Environ 80 % des implants commerciaux sont constitués de biomatériaux métalliques destinés à corriger les déformations du système squelettique2,3. Le titane commercialement pur (CP-Ti, Grade 2, UNS R50400) est classiquement utilisé comme biomatériaux métalliques dans les dispositifs dentaires, les arthroplasties orthopédiques et les stents cardiovasculaires en raison de sa bonne résistance à la corrosion et de sa biocompatibilité satisfaisante4. Le CP-Ti ne possède pas toutes les propriétés souhaitables pour les implants biomédicaux, c'est pourquoi l'alliage Ti-6Al-4V (également connu sous le nom d'alliage de grade 5, UNS R56400) avec une résistance plus élevée est également le plus largement utilisé5. Cependant, il existe une préoccupation croissante concernant la corrosion et l'élution correspondante de l'aluminium et du vanadium qui ont des effets toxiques et secondaires sur les applications à long terme6,7 et de nouveaux alliages de titane améliorés avec un module élastique plus faible, une résistance plus élevée et des performances biologiques supérieures sont en cours de développement7, 8.

L'un des alliages développés sans aluminium ni vanadium est basé sur le système Ti – Nb – Zr (UNS R58130 par ASTM F1713) et contient davantage d'éléments Nb et Zr biocompatibles et un module d'Young inférieur dans une plage de 60 à 80 GPa9,10,11. . La combinaison de Nb et de Zr dans cet alliage a abouti à une structure de phase proche du β-Ti plus résistante à la corrosion que les phases α-Ti et β-Ti, mais elle n'a pas atteint le niveau souhaité de résistance à la biocorrosion sans compromettre sa réactivité aux cellules12. Parmi d'autres additifs possibles, le silicium a été considéré comme un élément vital dans le corps humain pour les réactions biologiques, fournissant une force motrice pour la croissance et le développement de nouveaux tissus osseux et conjonctifs13,14.

Après l'implantation d'un biomatériau, le système immunitaire du corps est activé pour protéger l'hôte contre les infections et les lésions tissulaires, compliquées en outre par une réaction à un corps étranger15,16 et un dépôt en surface de diverses biomolécules et protéines telles que l'albumine17. Les leucocytes augmentent leur consommation d'oxygène en utilisant l'explosion respiratoire pour produire des espèces réactives de l'oxygène (ROS), de l'acide lactique, notamment du peroxyde d'hydrogène (H2O2) et ses dérivés, et de l'acide hypochloreux (HOCl) dans le milieu extracellulaire16,18,19,20. Pour le tissu osseux, les ostéoclastes expriment également du HCl qui, ensemble, crée un environnement acide oxydatif avec une diminution du pH de neutre à 5 et moins pendant l'inflammation18. Dans des conditions inflammatoires graves, les neutrophiles, les macrophages et les micro-organismes peuvent créer un milieu très oxydant et acide avec un pH ⁓ 2 à 3 autour de l'implant, suffisant même pour dissoudre des matériaux très résistants tels que l'or21. Le film protecteur passif sur le titane dans ces conditions commence à se dégrader, accélérant le taux de corrosion et provoquant une rugosité de la surface et la formation d'un composé TiOOH poreux intensément hydraté22,23,24,25. Des études récentes ont montré que la combinaison d'albumine et de H2O2 accélérait le taux de corrosion du CP-Ti et du Ti-6Al-4V26,27 et que la présence d'acide lactique et de H2O2 diminuait considérablement la résistance à la corrosion28,29. En raison de l'environnement in vivo complexe, la corrosion des implants en Ti peut être considérablement accélérée, ce qui entraîne une durée de vie de l'implant nettement plus courte et un risque d'échec plus élevé30,31. Par conséquent, des additifs d’alliage appropriés aux alliages de titane haute performance sont nécessaires pour prévenir les échecs d’implants dans des conditions inflammatoires. Le silicium a été introduit dans certains alliages à base de Ti32,33,34, mais il n'a pas encore été suffisamment analysé lorsqu'il est ajouté au système Ti – Nb – Zr. Il est donc intéressant de l’évaluer en tant qu’alliage Ti – Nb – Zr – Si comme matériau potentiel pour des applications orthopédiques.