Quels traitements de surface pour les implants orthopédiques ?

   La performance biologique d’un implant dépend fortement de son état de surface, notamment de sa morphologie, de sa composition chimique, de l’énergie de surface et de l’état d’activation. Par conséquent, les traitements de surface appliqués à l’implant influencent significativement l’aptitude à son osséointégration, comme le montre cet article extrait du Pocketbook* d’Orthomaterials et réalisé par la société suisse Steiger Galvanotechnique.

Anodisation plasma chimique – Biodize

L’anodisation alcaline est une oxydation anodique du titane en milieu alcalin, selon la norme AMS 2488c. Ce procédé a tout d’abord été appliqué pour le spatial, secteur dans lequel le titane est apprécié pour sa faible densité et où il faut éviter à tout prix le grippage. Le revêtement consiste en un oxyde de titane se formant par la transformation de la surface métallique en oxyde TiO2. La teneur en oxyde est plus forte à l’extérieur de la couche et diminue vers l’intérieur, pour s’approcher graduellement de la composition du substrat. L’épaisseur de la couche présentant un gradient d’oxyde est de l’ordre de trois microns ; elle est dix à cent fois supérieure à l’anodisation colorée.

Les principales caractéristiques de Biodize sont les suivantes : l’anti-grippage et la bonne résistance au frottement, la prévention de fretting et la réduction de l’usure, l’amélioration de la résistance à la fatigue de 15 à 20 %, sans compter la bonne répartition de l’épaisseur sur le contour de la pièce, la recharge directe sans détraitement en cas de retraitement de la pièce. Par ailleurs, Biodize est parfaitement biocompatible et implantable, mais également facilement identifiable par rapport aux aciers inoxydables en raison de la couleur grise du traitement. L’anodisation alcaline s’applique aux substrats en titane pur et aux alliages (TAV et TAN) ; ses applications concernent les implants orthopédiques, notamment les pièces à explanter ultérieurement.

Anodisation plasma chimique – Biocer

Le revêtement d’anodisation plasma chimique est constitué d’une couche d’oxyde de titane à structure amorphe et rugueuse présentant des pores ouverts en surface. La couche est enrichie d’éléments additionnels tels que le calcium, le phosphore et le magnésium. L’épaisseur de la couche peut être ajustée au moyen des paramètres de procédé ; les valeurs typiques sont de 5 à 10 μm. Le revêtement est de couleur gris foncé sur TAV et gris clair sur titane pur.

Des tests in vitro de bio-compatibilité à l’aide d’ostéoblastes humains ont montré une excellente réponse de la couche quant à la prolifération et à la minéralisation des cellules osseuses. Le revêtement a également présenté une excellente adhérence des cellules qui s’y sont développées. La structure rugueuse et poreuse est très appropriée à une fonctionnalisation, qu’elle soit bioactive ou mécanique. En plus d’éléments incorporés dans la couche, une bio-fonctionnalisation peut être réalisée par greffage de molécules bioactives sur la surface qui s’y prête bien en raison de sa morphologie. Les applications concernent les implants dentaires ou orthopédiques.

Électropolissage du titane et de l’inox avec Biobright

L’électropolissage du titane ou de l’inox procure à la pièce un aspect clair et brillant en la nettoyant des impuretés superficielles résultant de l’usinage ou de l’oxydation due au stockage. L’épaisseur de matière enlevée en cours de traitement est de l’ordre de 2 à 10 microns suivant l’état initial de la pièce. Par une ablation de 10 μm, une rugosité initiale Ra de 0.7 μm peut être abaissée à 0.2 μm. L’électropolissage est également très efficace pour l’ébavurage, puisqu’il dissout la bavure de manière préférentielle plutôt que les faces. Le traitement est donc nettement plus adapté à l’ébavurage qu’une attaque chimique, qui s’avère beaucoup plus dommageable quant au respect des tolérances dimensionnelles de la pièce.

L’électropolissage améliore la résistance à la fatigue de la pièce en nivelant les amorces de fissure et en évitant toute fragilisation hydrogène. L’augmentation de la résistance à la fatigue par rapport à la pièce brute a pu être confirmée sur un banc d’essai à l’aide d’implants dentaires en TAV. Sur le titane, l’électropolissage s’utilise soit comme traitement final soit comme prétraitement à une coloration anodique de type Biocoat. En cas de double traitement, ce dernier apparaît plus clair et plus brillant que s’il est appliqué sans prétraitement d’électropolissage. Pour l’obtention du brillantage, le titane pur est plus approprié que les alliages en raison de sa structure métallographique. Biobright s’applique aux alliages inox, austénitiques ou ferritiques. La diminution de la rugosité favorise la résistance à la corrosion des aciers et augmente leur passivité. Les applications concernent les implants orthopédiques : les vis, les plaques ainsi que divers instruments.

Passivation de l’inox et du titane

La passivation est un traitement de surface chimique par immersion dans une solution oxydante, correspondant aux normes QQ-P- 35 C ou ASTM A 967-01. Elle produit un film fin d’oxyde protecteur régulier, stable, dense et de haute pureté à la surface de la pièce traitée.

Elle assure deux fonctions principales : la décontamination et la protection contre la corrosion. Les prétraitements, notamment les dégraissages chimiques ou électrolytiques ainsi que le bain de passivation, permettent d’éliminer les impuretés en surface telles que les particules, les graisses et les éléments oxydables, en particulier le fer ou les métaux cuivreux qui peuvent provenir de transferts d’outils ou de contaminations au cours des étapes de fabrication et de stockage. Les éléments oxydables en surface, tels que le fer entraîneraient une corrosion prématurée.

En réagissant avec le chrome ou le titane, la passivation apporte une fine couche d’oxyde de l’ordre de quelques nanomètres (typiquement 2 à 6 nm) protégeant le substrat contre la corrosion. Bien que les aciers inoxydables et le titane forment naturellement des couches protectrices d’oxydes, le procédé de passivation procure un conditionnement de surface, élimine les impuretés et constitue une couche d’oxyde de manière beaucoup plus pure que par oxydation spontanée en milieu non contrôlé. La passivation concerne les substrats en acier inoxydable ainsi que le titane et ses alliages. Elle ne change ni les dimensions ni la morphologie de surface. De plus, elle est parfaitement adaptée aux implants orthopédiques et autres composants implantables. Elle est également appropriée à une bio-fonctionnalisation par greffage de molécules bioactives et a pour applications les implants tels que les vis, les plaques ou les composants de pompes implantables.

* Cet article – « Traitements de surface pour implants orthopédiques » a été extrait du Pocketbook d’Orthomaterials Matériaux et procédés pour l’orthopédie, chapitre 4 « Procédés pour l’orthopédie ». Pour le consulter dans sa version intégrale, consulter le site www.orthomaterials.com

N° 88 Avril 2017