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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4349 (2023) Citer cet article

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La prothèse de genou à axe unique est un dispositif biomécanique artificiel qui fournit un mouvement aux amputés sans avoir besoin d'appareils d'assistance. Outre qu'il est principalement composé de matériaux métalliques, les matériaux commerciaux actuels ne regroupent pas les propriétés adéquates pour une utilisation à long terme ou un coût accessible. Cette étude a produit et caractérisé des alliages Ti-(10 −x)Al-xV (x = 0, 2 et 4% en poids) pour une utilisation potentielle en tant que prothèses de genou à axe unique. Les échantillons présentaient une diminution progressive des valeurs de densité, avec un mélange chimique approprié des éléments d'alliage à l'échelle microscopique. La composition de phase présentait une phase α primaire avec une phase α '+ β mineure pour les échantillons Ti-8Al-2V et Ti-6Al-4V. En raison de leur rayon atomique différent de celui du Ti, l'ajout d'éléments d'alliage a modifié les paramètres de la cellule. Leurs propriétés mécaniques sélectionnées (module de Young, microdureté Vickers et facteur d'amortissement) ont obtenu de meilleures valeurs que le CP-Ti grade 4. Les échantillons ont également présenté de bonnes propriétés de corrosion contre la solution marine simulée. La résistance à la tribocorrosion des échantillons était meilleure que celle du matériau de référence, les traces d'usure étant composées de quelques tribocouches et rainures résultant de l'usure adhésive et abrasive. L'alliage Ti-10Al a présenté les meilleures propriétés et un faible coût estimé pour être utilisé comme prothèse de genou à axe unique.

La prothèse de genou est un dispositif biomécanique utilisé par les patients amputés de la jambe et constitue un moyen efficace de se remettre de la marche, du jogging et de la position debout sans avoir besoin d'appareils fonctionnels. L'amputation d'une jambe résulte de blessures (accidents de la circulation ou du travail) ou de maladies (chroniques ou liées à l'âge) nécessitant l'ablation chirurgicale du membre1. Les genoux prothétiques peuvent être mécaniques ou informatisés, le premier étant le choix le moins cher pour le patient. La prothèse mécanique du genou est également divisée selon le nombre d'axes de rotation, qui peuvent être mono-axes, multi-axes ou polycentriques2. L'axe unique est le type le plus simple qui ne permet que la flexion et l'extension du genou, étant la meilleure option rentable pour les personnes pauvres et âgées2,3. Les principaux inconvénients sont la puissance musculaire excessive nécessaire pour garder une marche et une station debout stables, et la difficulté à contrôler la rotation du genou, ce qui pourrait avoir un impact sur le schéma de marche et produire un risque de chutes et de blessures4. Considérant que les prothèses en acier inoxydable actuelles ne répondent pas aux besoins cliniques, la conception d'alliages à base de Ti à faible coût peut potentiellement surmonter ces inconvénients sans augmenter excessivement les coûts.

Le Ti et ses alliages ont été principalement utilisés comme matériaux biomédicaux en raison de leurs propriétés mécaniques, de corrosion, d'usure et biologiques favorables. L'utilisation se compose principalement d'implants et de dispositifs pour l'orthopédie, la cardiologie et l'odontologie5. La combinaison d'éléments d'alliage et de traitements thermomécaniques appropriés peut modifier la proportion de phase α (structure cristalline compacte hexagonale, hcp) et β (structure cristalline cubique centrée sur le corps, bcc) ou précipiter des phases métastables (telles que les martensitiques α′ et α″ ou ω) qui peuvent avoir un impact direct sur les propriétés du Ti6. La formation de solutions solides de Ti avec des éléments d'alliage non toxiques a été actuellement établie comme une stratégie intelligente pour surmonter les limites concernant l'effet de protection contre les contraintes favorisé par l'inadéquation du module de Young avec l'os humain, les défaillances favorisées par la corrosion des fluides corporels et la toxicité résultant des ions libérés et des débris provenant des mécanismes d'usure7. Cependant, le développement de nouveaux matériaux à base de Ti qui répondent à tous les besoins cliniques reste un défi.

L'alliage Ti-6Al-4V, également appelé CP-Ti grade 5, est désigné par la norme ASTM F1368 et est actuellement l'alliage Ti le plus populaire au monde. Le matériau a été développé dans les années 1950 pour être utilisé dans les composants structurels des avions et des espaces aériens en raison de sa légèreté, de sa haute résistance, de son excellente ténacité à la rupture et de sa bonne résistance à la corrosion grâce à sa composition à double phase α + β. Dans les années 1970, le matériau a commencé à être utilisé comme biomatériau, notamment dans la fabrication d'implants orthopédiques. Cependant, certaines préoccupations concernant la libération d'ions nocifs et toxiques Al et V avertissent toujours la médecine9,10. Dans ce contexte, certaines stratégies pour surmonter cet inconvénient et ouvrir de nouvelles applications sont basées sur l'ajout d'éléments d'alliage, tels que les alliages Ti–Al–V–X (X = Fe, Zr et Mo)11,12,13. Cependant, les études actuelles ne se sont concentrées que sur les applications potentielles des alliages de Ti dans les implants biomédicaux sans tenir compte des prothèses externes, malgré les demandes importantes dans le domaine.

À partir de ces considérations précédentes, le développement d'un alliage à base de Ti-Al à faible coût pourrait être une approche intéressante à utiliser par les personnes amputées. Dans ce contexte, cet article vise à produire et à caractériser des alliages Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4 % en poids) pour une utilisation potentielle en tant que prothèses de genou à axe unique pour la première fois. Les échantillons ont été caractérisés par la composition chimique et de phase, la densité, la structure, la microstructure et certaines propriétés mécaniques, électrochimiques et de tribocorrosion. Leur coût de transformation a été estimé sur la base du prix des matières premières.

Des échantillons de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4 % en poids) ont été produits à partir de Ti commercialement pur (CP-Ti grade 2)14, d'Al pur et de Ti-6Al-4V (CP-Ti grade 5)8 après nettoyage dans un bain à ultrasons aqueux et séparation dans la proportion massique correspondante. Les lingots ont été coulés dans un four de fusion à arc sous argon avec un creuset en cuivre refroidi à l'eau et une électrode en tungstène. La chambre a été préalablement nettoyée dans un vide de 10–3 Torr et ensuite purgée avec du gaz argon jusqu'à 102 Torr. Les échantillons ont été refondus cinq fois pour assurer un mélange chimique adéquat. Ensuite, les échantillons ont été soumis à un traitement thermique d'homogénéisation sous un vide de 10–5 Torr, une vitesse de chauffage de 10 K min−1, un palier de 1273 K, pendant 21,6 ks, et le four a été refroidi. Plus tard, les échantillons ont été laminés à chaud à 1273 K, avec une réduction d'épaisseur d'environ 5 mm, et refroidis à l'air. Enfin, les échantillons ont été mis en solution à 10–5 Torr, à 1173 K, pendant 7,2 ks, et trempés à l'eau pour le soulagement des contraintes et la recristallisation microstructurale.

Dans le mode d'analyse chimique semi-quantitative et de cartographie élémentaire, la composition chimique a été évaluée par spectroscopie dispersive de rayons X (EDS; détecteur Inca X-Act, Oxford Inc.). Les valeurs de densité ont été acquises en utilisant le principe d'Archimède et une balance numérique (0,0001 g) à température ambiante et comparées aux valeurs théoriques obtenues à partir de la moyenne pondérée des éléments d'alliage. La composition de phase a été évaluée par diffraction des rayons X (DRX; diffractomètre Rigaku, modèle MiniFlex 600) à 40 kV et 15 mA, rayonnement CuKα filtré au Ni (λ = 0, 1544 nm), mode à temps fixe, pas de 0, 02 ° et temps de collecte de 1, 6 s. Les paramètres structurels ont été calculés par la méthode de Rietveld, en utilisant le logiciel GSAS et l'interface EXPGUI, avec des fiches techniques cristallographiques de la phase Ti (ICSD : α-Ti #43 416 et β-Ti #44 391) et un échantillon standard Y2O3 pour la contribution instrumentale. Des détails spécifiques sur la qualité du raffinement peuvent être trouvés dans le matériel supplémentaire 1. Les caractéristiques microstructurales ont été révélées par microscopie optique (OM; microscope Olympus BX51M) et microscopie électronique à balayage (SEM; microscope EVO LS15, Carl Zeiss Inc.). Pour cela, les échantillons ont été préalablement soumis à des procédures métallographiques standards composées d'un meulage au papier étanche SiC (#180 à #1500), d'un polissage avec des suspensions colloïdales d'alumine (0,25 µm) et de silice (0,10 µm) et d'une gravure dans la solution de Kroll.

Les propriétés mécaniques ont été évaluées par la microdureté Vickers (durcisseur HMV-2, Shimadzu Inc., 0,300 kgf pendant 15 s), le module de Young et le facteur d'amortissement (méthode d'impulsion d'excitation, équipement Sonelastic, ATCP Physical Engineering Inc.). Les propriétés électrochimiques ont été évaluées par des tests de potentiel de circuit ouvert (OCP, 3, 6 ks), de polarisation potentiodynamique (PDP, - 1 à 2 V, vitesse de balayage de 10 mV s - 1) et de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS, 10–1 à 106 Hz, amplitude de 10 mV et 10 points par décade). L'échantillon a été configuré comme électrode de travail, une électrode Ag/AgCl comme référence et un disque Pt comme contre-électrode. Les tests ont été réalisés dans une solution marine simulée (3,5% NaCl) à température ambiante, à l'aide d'un potentiostat (Metrohm Autolab Inc) couplé à un module d'impédance. Les résultats ont été analysés par le logiciel NOVA version 2.1. Des détails sur l'ajustement EIS des données sont présentés dans le matériel supplémentaire 2. Le comportement de la tribocorrosion a été évalué dans les mêmes conditions que les tests électrochimiques, avec le glissement d'une sphère d'alumine (diamètre de 6 mm) sous une charge de 1,55 N pour 1,8 ks et fréquence de 1 Hz. L'imagerie SEM et la microscopie laser confocale (équipement DCM3D, Leica Inc.) ont ensuite analysé la trace d'usure, qui a également été utilisée pour calculer la rugosité moyenne (Ra) et la racine carrée moyenne (Rrms). Les tests ont été pris en triple pour un calcul précis des valeurs moyennes. Certains résultats ont été comparés au CP-Ti grade 4, un matériau couramment utilisé pour la fabrication d'implants médicaux.

La figure 1 montre les résultats EDS pour les échantillons après traitement thermique de mise en solution. La composition chimique moyenne des échantillons acquis dans trois zones distinctes (Fig. 1a) grossies à 1000 × reste proche des valeurs nominales (écart inférieur à 1 %). La cartographie élémentaire (Fig. 1b) recueillie au même grossissement a mis en évidence une bonne répartition des éléments d'alliage sans formation précise d'agglomérats à l'échelle de plusieurs dizaines de micromètres. Les résultats ont suivi les spécifications chimiques de la norme ASTM F1362 et garanti que les échantillons traités étaient de bonne qualité pour l'étude.

Analyse chimique EDS : (a) Résultats semi-quantitatifs et (b) Cartographie élémentaire.

La composition de phase des échantillons vérifiés par les résultats XRD est illustrée à la Fig. 2. Les diagrammes XRD (Fig. 2a) des échantillons Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4 % en poids) indiquaient des pics diffractés liés à la structure hexagonale compacte (phase α-Ti). Le zoom dans la région d'intérêt (Fig. 2b) montre la formation d'une quantité mineure de structure cubique centrée sur le corps (phase β-Ti) avec l'ajout de V, mise en évidence par la décroissance de l'intensité des pics (002) α et (101) α et l'apparition d'un pic minuscule autour de 39, 5 ° lié au pic (110) β dans l'échantillon Ti-6Al-4V. Ce résultat provient de l'action α- et β-stabilisatrice des atomes Al et V, respectivement, qui peuvent modifier la température β-transus du Ti lorsqu'il est utilisé comme élément d'alliage10.

Analyse de composition de phase : (a) profils XRD étendus et (b) zoomés.

La proportion de phase et les paramètres de cellule des échantillons de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4% en poids) obtenus à partir du raffinement de Rietveld sont présentés à la Fig. 3. Les résultats indiquent une apparente transformation de phase α → β avec l'ajout de V dans la solution solide, passant d'un alliage de Ti de type α- à α + β. Par exemple, l'échantillon Ti-10Al présentait une seule phase α, avec des paramètres cellulaires nettement inférieurs à ceux du CP-Ti (aα = 0,2951 nm et cα = 0,4684 nm), ce qui peut être lié au rayon métallique mineur de Al (0,143 nm) par rapport à Ti (0,147 nm)10,15. Cependant, la quantité de V a progressivement augmenté les paramètres des cellules α et β en raison de son rayon métallique plus élevé (0,205 nm)15,16. De même que dans la phase α, les valeurs de aβ étaient également inférieures à celles du CP-Ti (0,3311 nm)10, indiquant que les atomes Al et V étaient dilués dans les deux phases. Des résultats similaires ont été trouvés par Slokar, Matkovic et Matkovic17 pour certains alliages Ti-Cr-Nb, dont on note une variation significative des paramètres de cellule de phase α et β avec le rayon atomique des éléments d'alliage.

Composition de phase et paramètres cellulaires.

Les aspects microstructuraux des échantillons de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4% en poids) sont illustrés à la Fig. 4, qui représente l'OM avec des images SEM collectées à l'aide de faisceaux d'électrons secondaires (SE) et rétrodiffusés (BSE). Le carré en pointillé rouge représente la région de l'imagerie SEM. L'échantillon de Ti-10Al était composé de quelques grains allongés de phase α avec des dimensions de quelques centaines de micromètres. En revanche, l'échantillon Ti-8Al-2V présentait des plaques de phase α imprégnées de certaines structures aciculaires typiques de la phase α' martensitique. L'imagerie SE-SEM de la région martensitique a révélé la présence de quelques précipités irréguliers de la phase β. L'échantillon de Ti-6Al-4V présentait également une phase α en forme de lamelles et un motif d'onde en panier résultant des phases α '+ β. L'imagerie SE-SEM correspondante a indiqué plus de précipitation de la phase β à travers la phase α '. Les images BSE-SEM présentaient des taches sombres résultant naturellement du processus de gravure métallographique, avec une certaine tendance à apparaître un contraste Z dans la limite α′/β, résultant de la localisation préférentielle des éléments d'alliage avec des numéros atomiques différents (Ti = 22, Al = 13 et V = 23)15. Il est bien connu que la combinaison d'éléments β-stabilisants avec un traitement thermique approprié peut induire la précipitation de phases métastables, telles que la phase α' martensitique, qui est formée avec une faible quantité d'éléments d'alliage18. Comme les échantillons mis en solution ont subi une trempe à l'eau à partir de températures supérieures au β-transus, cela a provoqué une transformation de phase β → α 'avec le β → α naturel pendant le refroidissement. La phase α 'martensitique a une structure cristalline hexagonale déformée et compacte avec le même groupe spatial de α-Ti19. Ainsi, cette phase était impossible à distinguer en utilisant des mesures XRD conventionnelles.

Analyse microstructurale : imagerie OM (à gauche), SE-SEM (au milieu) et BSE-SEM (à droite).

Les valeurs de densité et de propriétés mécaniques des échantillons par rapport à CP-Ti pour les échantillons de Ti-(10-x)Al-xV (x = 0, 2 et 4% en poids) sont présentées à la Fig. 5. Les valeurs de densité expérimentales (Fig. 5a) ont montré la même tendance que les valeurs théoriques, augmentant progressivement avec l'ajout de V. L'augmentation des valeurs de densité est produite par la valeur de densité plus élevée de V (6,11 g cm-3) par rapport à Ti (4,51 g cm-3) et Al (2,70 g cm-3)15, même si tous les échantillons présentaient des valeurs inférieures au CP-Ti. Du point de vue de l'amputé, les matériaux légers peuvent être un avantage pour la fabrication de prothèses du genou dès lors que cela peut entraîner des efforts mineurs pour obtenir une mobilité1. Les propriétés mécaniques sélectionnées des échantillons sont comparées au CP-Ti comme illustré sur la figure 5b. Le module de Young est resté inférieur au CP-Ti, montrant une décroissance progressive avec la quantité de V, fournie par la précipitation des phases α 'et β métastables10. Comme indiqué précédemment, les matériaux à faible module de Young, proches des os corticaux humains (~ 30 GPa), peuvent assurer une bonne transmission des charges biomécaniques, évitant l'atrophie osseuse causée par l'effet de protection contre les contraintes5. Au contraire, les valeurs de micro-dureté Vickers étaient supérieures à CP-Ti, entraînant des mécanismes de durcissement par précipitation de la solution solide et de la phase provoqués par les éléments d'alliage et les phases métastables18,20. La légère diminution de la micro-dureté avec la quantité de V a entraîné moins de durcisseur que Ti en solution solide21. La dureté est directement liée à la résistance mécanique, de sorte que les matériaux métalliques durs peuvent présenter des propriétés mécaniques favorables pour les prothèses. En ce qui concerne le facteur d'amortissement (Q−1), l'échantillon Ti-10Al présentait une valeur plus élevée que les échantillons, soulignant sa capacité à absorber les vibrations mécaniques sans déformation significative. Les matériaux à fort amortissement peuvent fournir un meilleur support pour les charges mécaniques sans défaillance, ce qui pourrait être utile pour les matériaux biomédicaux porteurs22. Du point de vue mécanique, l'applicabilité potentielle pour une utilisation en tant que prothèses du genou peut être répertoriée comme Ti-10Al > Ti-8Al-2V > Ti-6Al-4V > CP-Ti.

Propriétés sélectionnées : (a) densité et (b) valeurs mécaniques.

Les résultats obtenus à partir des tests électrochimiques effectués dans une solution marine simulée (3, 5% de NaCl) pour des échantillons de Ti- (10-x) Al-xV (x = 0, 2 et 4% en poids) sont présentés à la Fig. 6. Les valeurs OCP (Fig. 6a) de l'échantillon de Ti-10Al avaient le comportement le plus noble, indiquant une couche d'oxyde passive plus stable à la surface. Les résultats du PDP (Fig. 6b et Tableau 1) indiquent que tous les échantillons possédaient un potentiel de corrosion (Ecorr) inférieur au CP-Ti avec un courant de corrosion légèrement plus élevé (jcorr), ce qui pourrait indiquer une résistance mineure à la polarisation et à la dégradation de la surface. Cependant, les valeurs de résistance de polarisation (Rp) et de taux de corrosion (CR) sont restées à la même amplitude, indiquant un comportement similaire contre la solution marine simulée. De plus, étant donné que l'échantillon de Ti-6Al-4V est déjà utilisé commercialement comme matériau métallique biomédical, les autres échantillons ont montré des résultats appropriés pour l'application en tant que prothèses du genou. De plus, dans la région cathodique à des potentiels plus élevés, le CP-Ti était plus sensible aux piqûres en raison des oscillations typiques après la rupture de la couche passive, tandis que les autres échantillons restaient stabilisés. Le diagramme de Nyquist à partir des résultats de l'EIS est illustré à la Fig. 6c, où un seul demi-cercle apparent peut être vu dans tous les échantillons. Le diamètre du demi-cercle pour l'échantillon Ti-10Al était le plus grand, indiquant une résistance de polarisation probablement plus élevée que les autres échantillons23. Le circuit électrique équivalent de la figure 6e montre une combinaison d'un composant résistif de la solution et d'un seul circuit électrique parallèle de la couche d'oxyde, désigné par un circuit de Randles. Le circuit comprenait la résistance de polarisation de la solution (Rs) et de la couche d'oxyde (Rp), et un élément à phase constante (CPE). Chávez-Díaz et al.24 ont rapporté que la couche passive de l'alliage Ti-6Al-4V est composée principalement de TiO2 et de ses sous-oxydes (TiO et Ti2O3), et d'une quantité mineure d'Al2O3, ce qui a positivement contribué à augmenter la résistance à la corrosion dans la solution de Hank. À partir des paramètres ajustés EIS indiqués dans le tableau 2, il est possible d'observer que les échantillons possédaient une valeur de résistance de polarisation plus élevée de leurs oxydes (Rp) par rapport au CP-Ti, indiquant une protection significative contre l'environnement marin simulé. Le diagramme de Bode (Fig. 6d) montre que CP-Ti à basse fréquence a une résistance similaire aux autres échantillons, ce qui signifie un excellent comportement de la couche protectrice de TiO2. En revanche, à haute fréquence, CP-Ti présentait la capacité la plus élevée parmi les échantillons, permettant un passage important d'électrons à travers la surface et l'apparition de mécanismes de dégradation. L'exposant de la constante de phase α dénote le comportement électrique du composant CPE, étant donné que tous les résultats obtenus à partir des oxydes étaient plus proches de la valeur 1,0 et indiquaient une caractéristique capacitive. Pourtant, les échantillons Ti – Al – V en présentaient des mineurs, indiquant une tendance au comportement résistif. Comme on le sait, un comportement capacitif indique que des charges ordonnées sur la surface sont autorisées pour que les électrons la traversent. En revanche, le comportement résistif forme une couche protectrice qui ne permet pas le passage des électrons25. La résistance à la corrosion du matériau vis-à-vis des solutions marines simulées permet l'utilisation de prothèses dans des environnements d'eau de mer26, augmentant la qualité de vie et l'intégration de l'amputé dans la société. Du point de vue électrochimique, les échantillons peuvent être classés comme Ti-10Al > CP-Ti > Ti-8Al-2V > Ti-6Al-4V.

Analyse électrochimique : (a) OCP, (b) PDP, (c) et (d) résultats EIS, et (e) circuit électrique équivalent.

Les valeurs de rugosité des échantillons de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4 % en poids) prélevés avant et après les tests électrochimiques sont comparées à la Fig. 7. Il est possible de noter que les mécanismes corrosifs qui se sont produits à la surface ont entraîné des changements significatifs dans les valeurs de Ra e Rrms dans tous les échantillons. Les surfaces rugueuses peuvent indiquer la présence de corrosion par piqûres et une plus grande tendance à la corrosion27. Chi, Yi et Liu28 ont trouvé un effet significatif de la rugosité sur les propriétés électrochimiques et la corrosion par piqûres dans l'alliage Ti-6Al-4V dans une solution acide à base de HCl une fois que la topographie irrégulière retarde d'une manière ou d'une autre la passivation des oxydes de la surface. En ce sens, les échantillons Ti-10Al et Ti-6Al-4V, qui présentaient des variations mineures dans les valeurs de rugosité, ont présenté les résultats les plus favorables.

La rugosité change avec l'analyse électrochimique : (a) Ra et (b) valeurs Rrms.

Les valeurs OCP des échantillons Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4 % en poids) enregistrées lors du test de tribocorrosion et les valeurs COF correspondantes sont présentées à la Fig. 8. Dans l'ensemble, les résultats ont suivi les caractéristiques typiques des alliages biomédicaux de Ti lorsqu'ils sont soumis à des mécanismes d'usure et de corrosion dans des environnements aqueux corrosifs29. Pendant le frottement par glissement (Fig. 8a), les valeurs d'OCP ont fortement diminué pour tous les échantillons en raison de l'élimination de la couche d'oxyde passive par le contre-corps (dépassivation). En ce qui concerne les valeurs OCP initiales et finales, CP-Ti a montré un écart plus important, indiquant que les échantillons produits étaient plus nobles en raison de leur OCP plus positif à CP-Ti lors du glissement. Les courbes robustes étaient plus élevées dans CP-Ti, résultant de l'élimination et de la repassivation constantes de la couche d'oxyde et du dépôt de tribocouches à la surface à partir des débris. Cependant, comme ces débris peuvent également être libérés dans le corps humain, ils ont eu un impact notable sur la production de cytokines, qui peuvent dégrader la viabilité cellulaire30. L'échantillon Ti-10Al présentait les valeurs OCP les plus nobles, indiquant une meilleure stabilité de surface pendant le glissement. Avec l'arrêt glissant, tous les échantillons présentaient une meilleure capacité de repassivation que le CP-Ti, comme indiqué par les valeurs OCP plus élevées. Bien que le plus stable après repassivation soit le Ti-6Al-4V car la ligne est presque droite, le Ti-10Al a eu la meilleure tendance à la repassivation au retour par rapport à tous les alliages étudiés. Malgré cela, les valeurs de COF de tous les échantillons sont restées presque les mêmes (environ 0,30 à 0,40). Ainsi, du point de vue de la tribocorrosion, les échantillons peuvent être classés comme Ti-10Al > Ti-8Al-2V > Ti-6Al-4V > CP-Ti.

Analyse de tribocorrosion : (a) résultats OCP et (b) COF.

L'imagerie laser 3D confocale pour les échantillons de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4 % en poids) est illustrée à la Fig. 9. Il est possible d'évaluer la topographie de la piste d'usure résultant du test de tribocorrosion. La largeur de la piste d'usure des échantillons est restée inférieure à celle du CP-Ti, indiquant une meilleure résistance à la tribocorrosion et un volume d'usure mineur. Toutes les traces d'usure présentaient des rainures typiques entraînant une usure abrasive avec le contre-corps31. Les images SEM (Fig. 9b et c) montrent que la trace d'usure de l'échantillon de Ti-10Al semblait plus plate avec une certaine quantité de plaques de tribocouche déposées provenant du dépôt de débris d'usure, ce qui est typique de l'usure adhésive. Les échantillons représentaient une trace d'usure d'une largeur d'environ 300 µm tandis que le CP-Ti présentait 500 µm. Feyzi et al.32 ont rapporté les mêmes mécanismes d'usure et ont étudié l'effet de la force normale et du potentiel appliqué sur le comportement de tribocorrosion de l'alliage Ti-6Al-4V dans une solution PBS (Phosphate-Buffered Saline).

Topographie des traces d'usure : (a) imagerie laser 3D confocale à 10x et imagerie SE-SEM à (b) 100x et (c) 1000x.

La figure 10 montre une estimation du prix de fabrication du matériau basée uniquement sur le prix du marché des matières premières. Il a comparé le prix mondial moyen (USD par kg) du CP-Ti grade 2, de l'Al pur et du Ti-6Al-4V rapporté par le Berkeley Lab (www.materialslab.org). Le prix estimé des alliages Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4% en poids) a été calculé à partir des valeurs pondérées des matières premières utilisées dans cette étude. L'Al pur a une recyclabilité élevée et l'alliage Ti-6Al-4V est principalement commercialisé dans le monde entier, de sorte que leur prix est inférieur à celui du CP-Ti. En conséquence, l'utilisation de ces matériaux comme éléments d'alliage a fourni des valeurs de prix plus attractives pour les alliages Ti-10Al et Ti-8Al-2V. Ainsi, compte tenu des propriétés mécaniques, électrochimiques et de tribocorrosion, l'alliage Ti-10Al pourrait être le meilleur choix pour la fabrication de prothèses de genou à axe unique, garantissant un faible coût et une utilisation à long terme.

Prix estimé pour fabriquer les échantillons.

Des échantillons de Ti-(10−x)Al-xV (x = 0, 2 et 4 % en poids) ont été produits et caractérisés pour une application potentielle en tant que prothèses de genou à axe unique. Les échantillons présentaient un excellent mélange des éléments d'alliage à l'échelle de dizaines de micromètres, ayant une phase α primaire avec des quantités mineures de phase α' et β métastable induite par l'alliage β-stabilisant V dans la solution solide. Les paramètres cellulaires ont changé avec la composition chimique, en fonction du rayon atomique des éléments substitutionnels Al et V. La microstructure était initialement composée de grains allongés en phase α, passant d'une structure en natté typique de la phase double α ' + β. En raison de la composition chimique et de la phase, la microdureté Vickers, le module de Young et le facteur d'amortissement ont changé progressivement. Les tests électrochimiques ont indiqué une résistance adéquate à la corrosion contre la solution marine simulée (3,5 % de NaCl). Les tests de tribocorrosion ont également donné des résultats intéressants pour l'application, étant la preuve de l'usure des mécanismes d'usure par abrasion et adhérence. Les échantillons de Ti-10Al présentaient les meilleures propriétés mécaniques, électrochimiques et tribocorrosives pour une utilisation en tant que composant de genou à axe unique, un prix particulièrement attractif concernant le CP-Ti grade 2, offrant de nouveaux horizons pour de nouveaux développements d'alliages à base de Ti ciblés pour une prothèse externe. Des recherches plus poussées sur la fabrication avancée de Ti-10Al poreux, par exemple en utilisant des technologies d'impression 3D, peuvent bénéficier de la réduction du poids et des coûts de la prothèse sans altération significative de ces propriétés.

Les données peuvent être partagées sur demande à l'adresse e-mail : [email protected].

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Les auteurs remercient le professeur Oscar Balancin et M. Rover Belo du Département de génie des matériaux (DEMA - UFSCar - São Carlos) pour l'utilisation de l'équipement de laminage à chaud, M. Hamilton José de Mello de l'école d'ingénieurs (FEB -UNESP - Bauru) pour l'utilisation de l'équipement microduromètre, et M. Williams Govedise de l'École des sciences (FC - UNESP - Bauru) pour l'assistance dans le traitement des échantillons. L'Institut d'études avancées de l'océan (IEMAR – UNESP – São Vicente) pour l'utilisation d'équipements électrochimiques. Cette étude a été financée par les agences de financement CNPq (subventions #407251/2018-9 et #314810/2021-8), FAPEAM (subvention #001/2019-PROPG-CAPES/FAPEAM) et FAPESP (subvention #13921-3/2021).

Laboratoire d'anélasticité et de biomatériaux, Université d'État de São Paulo (UNESP), École des sciences, Bauru, SP, 17033-360, Brésil

BO Pinto, JE Torrento, CR Grandini & DRN Correa

Laboratoire de caractérisation physique et rhéologique, Université d'État de São Paulo (UNESP), École des sciences, Bauru, SP, 17033-360, Brésil

EL Galindo & CAF Pintão

Laboratoire de nanotechnologie et matériaux avancés, Université d'État de São Paulo (UNESP), École des sciences, Bauru, SP, 17033-360, Brésil

AA Santos & PN Lisboa-Filho

Département de chimie Faculté des sciences, Université d'État de São Paulo (UNESP), École des sciences, Bauru, SP, 17033-360, Brésil

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Correspondance à DRN Correa.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Pinto, BO, Torrento, JE, Grandini, CR et al. Développement d'alliages Ti–Al–V pour une utilisation en prothèse de genou mono-axe : évaluation des comportements mécaniques, de corrosion et de tribocorrosion. Sci Rep 13, 4349 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31548-1

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Reçu : 02 février 2023

Accepté : 14 mars 2023

Publié: 16 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31548-1

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