Avec le progrès social et le développement économique, en particulier les progrès de la science et de la technologie, la cause médicale a réalisé des progrès remarquables. Parmi eux, les matériaux de produits médicaux développés ces dernières années jouent un rôle irremplaçable dans le traitement et la réparation des tissus humains et dans l'amélioration des fonctions des tissus et organes humains, et les alliages de titane et de bandes sont largement utilisés. Ci-dessous, cet article analyse brièvement la résistance à la corrosion du titane médical.
En tant que matériau fonctionnel important, le titane est largement utilisé dans l'aérospatiale, l'industrie énergétique, les fournitures médicales et d'autres domaines en raison de sa faible densité, de sa résistance spécifique élevée et de sa bonne résistance à la corrosion. Le développement du titane médical et des alliages de titane peut être grossièrement divisé en trois périodes :
La première étape est représentée par le titane pur et le Ti-6AI-4V ; La deuxième période est : + Ti-5a1-2.5fe et Ti-6Al-7Nb sont des alliages représentatifs ; La troisième étape consiste à développer des produits offrant de meilleures performances biologiques et un module d'élasticité plus faible. L'alliage de titane de type a constitue la principale ligne de défense. L'application de nouveaux matériaux en alliage de titane constituera l'orientation du développement des dispositifs médicaux traditionnels actuels.
La recherche sur les matériaux médicaux en alliage de titane a commencé en Chine dans les années 1970, lorsque le ti-2,5al-2,5mo-2,5zr (TAMZ) a été développé. Dans les années 1990, les Ti-6Al-4V, ti-al-2.5fe et ti-6 dotés de droits de propriété intellectuelle indépendants ont été successivement développés.
Matériau Al-7nb. L'Académie chinoise des sciences a également développé un nouvel alliage de titane ti-24nb-4zr-7.6sn. À l'heure actuelle, le développement de l'alliage de titane en Chine se concentre principalement sur la découverte de nouveaux matériaux révolutionnaires et l'application active de matériaux en alliage de titane.
1, Corrosion du titane
Le titane est un métal thermodynamiquement instable et son potentiel d’émoussement est négatif. Le potentiel d'électrode standard est de -1,63 V. Par conséquent, il est facile de former un film d'oxyde ayant une propriété de passivation dans l'atmosphère et en solution aqueuse, avec une bonne résistance à la corrosion.
1. Résistance à la corrosion du titane dans différents milieux
Il est très important d’étudier la résistance à la corrosion des matériaux médicaux. D'une part, certains ions métalliques ou produits de corrosion des matériaux implantés pénètrent dans les tissus biologiques, ce qui peut déclencher des réactions physiologiques à différents degrés ; D’un autre côté, en raison de la présence de fluides corporels, les performances de certains matériaux peuvent être sérieusement dégradées, entraînant leur détérioration rapide, voire leur défaillance. L'environnement du corps humain est relativement complexe, ce qui est plus susceptible de provoquer la dissolution d'oligo-éléments et de modifier la stabilité de la couche d'oxyde. Un léger frottement peut endommager à des degrés divers le film de passivation formé sur la surface du titane. Par exemple, dans un environnement pauvre en oxygène, la stabilité de la couche d'oxyde est affaiblie et lorsqu'elle est endommagée, elle ne peut pas être réparée immédiatement ou former une nouvelle couche d'oxyde, ce qui est plus susceptible de provoquer de la corrosion. Ce genre de situation peut difficilement être évité lors des mouvements répétés du corps humain et de l’utilisation d’instruments. La déformation plastique modifiera l’état structurel des matériaux, puis affectera leurs performances en matière de corrosion. L'influence de la déformation plastique sur les propriétés de corrosion des matériaux est différente. Au cours du processus de déformation plastique, des défauts apparaissent au niveau de l'interface et du grain en raison de la concentration des contraintes internes. Par conséquent, la déformation plastique affaiblira la résistance à la corrosion des matériaux.
2. Mécanisme de corrosion du titane
Le titane est un élément de transition du groupe IVB, chimiquement actif et possédant une grande affinité avec l’oxygène. Dans tout milieu contenant de l'oxygène-, il est facile de former un film de passivation dense à la surface du titane, qui est très mince et dont l'épaisseur est généralement de plusieurs nanomètres à des dizaines de nanomètres. L'existence d'un film de passivation en alliage de titane réduit la zone de dissolution tensioactive et le taux de dissolution, résistant ainsi aux dommages causés par la dissolution. De plus, le film de passivation peut également être réparé automatiquement et, lorsqu'il est endommagé, un nouveau film protecteur peut être rapidement formé. Le titane présente donc une bonne résistance à la corrosion. Les formes de corrosion du titane implantées dans l’organisme peuvent être divisées en corrosion par piqûre, corrosion sous contrainte, corrosion caverneuse, corrosion galvanique et corrosion par usure.
2.1 corrosion interne
La corrosion sous contrainte fait référence au phénomène de fissuration du métal lorsque la contrainte de traction et la corrosion agissent en même temps. Le processus général est le suivant : l'action de la contrainte de traction provoque la rupture du film protecteur formé sur la surface métallique, formant la fissure source de corrosion par piqûres ou fissures, et se développant en profondeur. Dans le même temps, l’action de la contrainte de traction peut provoquer la rupture répétée du film protecteur, formant des fissures perpendiculaires à la contrainte de traction, voire conduisant à une fracture.
2.1.1 raisons affectant la réaction sous contrainte de l'alliage de titane
Le SCC de l’alliage de titane est le résultat de l’environnement, des contraintes et du matériau. Le CSC est très sélectif : tant que l’un des trois facteurs ci-dessus est modifié, le CSC ne se produira pas.
1) Environnement
(1) Moyen
Le SCC de l'alliage de titane peut se produire sous l'action de nombreux milieux tels qu'une solution aqueuse, de l'eau distillée, une solution organique et du sel chaud. Le mécanisme SCC est différent selon les médias.
(2) valeur du pH
L'influence de la valeur du pH sur le SCC de l'alliage de titane est encore très différente. En général, la sensibilité SCC de l'alliage de titane diminue avec l'augmentation de la valeur du pH. Lorsque la valeur du pH est de 13 à 14, le SCC peut souvent être supprimé. Cependant, un environnement fortement corrosif avec une valeur de pH de 2 à 3 peut même se former devant les fissures locales où se produisent des changements de SCC.
(3) Potentiel
L'effet du potentiel sur le degré de SCC est crucial. Le potentiel sensible au SCC de l'alliage est différent selon le système de corrosion composé de l'alliage et du milieu. Par exemple, lorsque le potentiel de l'alliage de titane b- dans la solution aqueuse contenant un halogénure est d'environ - 600 mV, le SCC est aggravé ; Sous le potentiel de passivation excessive, des fissures se produisent également ; Cependant, lorsque le potentiel est inférieur à - 1000mV, il n'y a pas de fissure. Dans la solution aqueuse contenant Cl - et Br -, le potentiel sensible au SCC de ti8al1mo1v est de - 500mv - - 600mV. Dans la solution aqueuse contenant I -, le potentiel sensible est supérieur à 0 mV.
(4) Température
La température est l’un des facteurs importants qui affectent la génération de SCC dans les alliages de titane. D’une manière générale, la sensibilité du SCC augmente avec l’augmentation de la température. Dans un environnement d'air salin chaud de 300 à 500 degrés, la corrosion sous contrainte de l'alliage ti6al3mo2zr0.5sn est plus sensible au SCC au-dessus de 450 degrés. Dans la solution de H2S + CO2 + NaCl + s, la sensibilité SCC de l'alliage Ti6Al4V avec une certaine quantité de PD ou de Mo est inférieure à 200 degrés qu'à 250 degrés. Mais les matériaux implantés dans le corps humain ont une sensibilité limitée à la température.
(5) Concentration en ions Cl
Plus la concentration de Cl - dans la solution est élevée, plus la sensibilité du SCC est grande.
2) Stresser
Les accidents SCC provoqués par les contraintes résiduelles de l'alliage lors de l'écrouissage, du forgeage, du soudage, du traitement thermique ou de l'assemblage représentent 40 % de l'ensemble des accidents SCC. De plus, les contraintes externes générées pendant le fonctionnement, les contraintes externes provoquées par l'effet volume des produits de corrosion, ou les contraintes inégales provoquées par l'effet volume des produits de corrosion sont toutes des sources de contraintes du SCC. Plus le niveau de stress est élevé, plus la durée du SCC est courte.
3) Matériaux
Dans le même milieu environnemental, si la composition chimique, la ségrégation, la structure, la granulométrie, les défauts cristallins, les propriétés, le traitement thermique et l'état de surface des matériaux sont différents, leur comportement et leur degré de corrosion sous contrainte sont également différents. L'ajout d'une petite quantité de PD, Mo ou Ru à l'alliage de titane peut réduire sa sensibilité à la corrosion sous contrainte. La sensibilité SCC des alliages Ti6Al4V et ti15v3cr3al3sn après traitement de vieillissement maximal est supérieure à celle des alliages recuits. Lorsque la teneur en oxygène de l’alliage Ti6Al4V est inférieure à 0,13 %, la sensibilité au SCC peut être considérablement réduite.
2.1.2 solutions communes
Les méthodes suivantes peuvent être utilisées pour éliminer ou réduire la sensibilité au SCC de l'alliage de titane dans certains milieux :
1) Éliminer le stress résiduel
La contrainte résiduelle locale générée après la fabrication des pièces peut être éliminée au moyen d'un recuit global ou d'un recuit local. À ce stade, il convient de prendre en compte l’effet négatif du traitement thermique sur la résistance, la plasticité ou la ténacité du matériau.
2) Alliage
Pour les alliages traditionnels, une quantité appropriée de PD, Mo ou Ru peut être ajoutée à l'alliage en fonction de la situation pour améliorer sa résistance au SCC.
3) Traitement de surface
En améliorant la qualité de surface de l'alliage de titane, la biocompatibilité et la résistance à l'usure du matériau peuvent être améliorées, et le temps et la vitesse de génération de fissures peuvent être réduits et retardés.
2.2 corrosion caverneuse
Lorsque le milieu se trouve dans l'espace formé entre la pièce métallique et le métal ou le non-métal-, il peut accélérer la corrosion du métal dans l'espace, appelée corrosion d'espace. La corrosion caverneuse est une sorte de corrosion locale. Lorsqu'il y a un espace dans le titane et l'alliage de titane, en raison du manque de substances oxydantes dans l'espace, celui-ci devient une anode et se corrode, détruisant le film de passivation. Généralement, la corrosion caverneuse passe par trois étapes : ① consommation d'oxygène dans les fissures ; ② Former une macro-batterie et la valeur du pH diminue ; ③ Le film de passivation est activé et dissous jusqu'à sa destruction complète. Il s'avère que le degré de corrosion caverneuse du matériau dans la solution de Hanks à 37 degrés est NiTi > NiTiCu > 316L > Ti6Al4V ≈ Ti ; Ti et Ti6AI4V ont une forte résistance à la corrosion caverneuse dans la solution de Hanks.
2.3 usure et corrosion
La corrosion par usure se produit lorsque le métal et le milieu sont en contact les uns avec les autres, la vitesse de mouvement relative est grande, ce qui provoque une usure de la surface métallique, puis une corrosion accélérée du métal. Lorsque le titane est implanté sous forme d'implant, il s'usera dans une certaine mesure avec les instruments opératoires, ce qui détruira le film d'oxyde à la surface. Si ce film d’oxyde ne peut pas être réparé à temps, le métal implanté se corrodera davantage, voire échouera.
Les matériaux biomédicaux constituent une base matérielle importante pour le développement rapide de la médecine clinique moderne et constituent les principaux thèmes de la recherche sur les matériaux au 21e siècle. Le titane, en tant que nouveau type de matériau résistant à la corrosion-, a fait de grands progrès. En raison de sa bonne biocompatibilité et de sa résistance à la corrosion, il a été largement utilisé dans le domaine biomédical. Cependant, de nombreux problèmes restent à résoudre lors de l’application du titane dans l’environnement humain. Par conséquent, les performances des matériaux en titane sous tous leurs aspects doivent être étudiées en profondeur pour concevoir et démarrer le développement plus rapide de matériaux biomédicaux.
