Analysis of tribocorrosion behavior of biomedical powder metallurgy titanium alloys

Abstract

Titanium and its alloys have been widely used in oral implantology due to their mechanical properties, corrosion resistance and biocompatibility. However, under in vivo conditions the implants are subjected to the tribocorrosion phenomenon, which consists in the degradation mechanisms due to the combined effect of wear and corrosion. This process contributes to limiting the life span of the implant and may generate clinical problems in patients as metallic ions are released. Another cause of dental implant failure may be the loosening of the implant as metal does not promote osseointegration. The powder-metallurgy process is a promising alternative to the traditional casting fabrication process of titanium alloys for bone implants design, as the porous structure would allow the bone to grow into the pores. This would result in a better fixation of the metal implant without the need of sandblasting /acid etching the surface.

The present Doctoral thesis aims at describing the corrosion and tribocorrosion behavior of titanium alloys and their degradation mechanisms when processed by powder metallurgy, as a possible alternative to standard casting for dental implant application. For this, model Ti6Al4V titanium alloy and possible substitute Ti6Al7Nb alloy, where Vanadium has been replaced by Niobium in order to avoid cytotoxicity of the resulting biomaterial, have been studied. Electrochemical and tribo-electrochemical characterization of the biomaterials have been carried out under different physico-chemical conditions with biological relevance (in artificial saliva (AS) with different fluoride content, pH and oxidising conditions) which noticeably influences the degradation mechanisms of the studied materials. A new tribocorrosion technique that allows measuring the galvanic potential and current between the wear track (anode) and the passive material (cathode) through Zero-Resistance Ammetry (ZRA) has been also used to elucidate tribocorrosion mechanisms of the model Ti6Al4V cast alloy in AS. The ZRA technique for tribocorrosion allowed predicting the real depassivated area and therefore, the deviation of the wear mechanisms from Archard wear law at Open Circuit Potential (OCP).

All alloys show passivity in artificial saliva although active dissolution occurs in presence of high fluoride concentration (1000 ppm) and acidic conditions, pH 3. The degradation mechanism of sintered alloys is mainly governed by the mechanical wear in AS and only determined by the active dissolution when fluorides are added to acidified artificial saliva (pH 3). Wear was found to be governed by the prevailing oxidizing condition (simulated by changes in the electrode potential).

Ti6Al4V alloy processed by powder metallurgy showed a similar tribocorrosion resistance when compared to commercially available cast alloy suggesting that powder metallurgy is a promising fabrication process for implant applications. The influence of the alloying elements, Al and Nb, on the corrosion and tribocorrosion behavior of different titanium alloys, Ti6Al7Nb, Ti7Nb and Ti6Al has been studied and in all cases, the corrosion resistance is improved when compared to pure titanium. Wear damage was found to be critically affected by the ductility of the material, thus by the alloying element. Ti6Al7Nb showed a better corrosion resistance and similar tribocorrosion behaviour when compared to Ti6Al4V.

The results of this thesis have shown that Ti6Al7Nb obtained by Powder metallurgy is a promising biomedical alloy for oral implants. Wear damage of sintered Ti alloys depends on the electrochemical potential and their tribocorrosion behaviour is critically affected by a high content of fluoride found in common daily dental health care products.

El titanio y sus aleaciones han sido utilizados en implantología oral debido a sus propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. Sin embargo, bajo condiciones in vivo los implantes están sometidos al fenómeno de tribocorrosión, que consiste en mecanismos de degradación debido al efecto combinado de desgaste y corrosión. Este proceso disminuye la vida útil del implante y genera problemas clínicos a medida que se liberan iones metálicos. La pérdida de fijación del implante es otra causa de fracaso del implante, por falta de osteointegración. El proceso de pulvimetalurgia es una alternativa prometedora al proceso tradicional de fabricación (colada, forja) de aleaciones de titanio para el diseño de implantes óseos, ya que la estructura porosa permitiría que el hueso crezca dentro de los poros, dando lugar a una mejor fijación del implante.

La presente tesis doctoral pretende describir el comportamiento frente a la corrosión y tribocorrosión de las aleaciones de titanio y sus mecanismos de degradación cuando se procesan mediante pulvimetalurgia, como una posible alternativa a la colada estándar para la aplicación de implantes dentales. Se ha estudiado el modelo de aleación de titanio Ti6Al4V y posible sustitución por la aleación Ti6Al7Nb, donde el Vanadio ha sido sustituido por Niobio para evitar la citotoxicidad del biomaterial. La caracterización electroquímica y tribo-electroquímica de los biomateriales se ha llevado a cabo en diferentes condiciones físico-químicas con relevancia biológica (en saliva artificial (AS) con fluoruro, pH y condiciones oxidantes) que influye notablemente en los mecanismos de degradación de los materiales estudiados. También se ha utilizado una nueva técnica de tribocorrosión que permite medir el potencial galvánico y la corriente entre la pista de desgaste (ánodo) y el material pasivo (cátodo) a través de la ametría de resistencia cero (Zero-Resistence Ammetry, ZRA) para elucidar los mecanismos de tribocorrosión de la aleación de forja Ti6Al4V en AS. La técnica ZRA para tribocorrosión permitió predecir el área real despasivada y, por tanto, la desviación de los mecanismos de desgaste de la ley de desgaste de Archard en OCP.

Las aleaciones muestran pasividad en AS, aunque la disolución activa se produce en presencia de alta concentración de fluoruro (1000 ppm) y condiciones ácidas, pH 3. El mecanismo de degradación de las aleaciones sinterizadas se rige principalmente por el desgaste mecánico en AS y sólo determinado por la disolución activa cuando se añaden fluoruros a la saliva artificial acidificada (pH3). Se encontró que el desgaste se rige por la condición oxidante predominante (simulada por cambios en el potencial de electrodo).

La aleación Ti6Al4V procesada por pulvimetalurgia mostró una resistencia similar a la tribocorrosión cuando se comparó con la aleación forjada comercial disponible, lo que sugiere que la pulimetalurgia es un prometedor proceso de fabricación para aplicaciones de implantes. Se ha estudiado la influencia de los elementos aleantes Al y Nb sobre el comportamiento de corrosión y tribocorrosión de diferentes aleaciones de titanio Ti6Al7Nb, Ti7Nb y Ti6Al y en todos los casos la resistencia a la corrosión se mejora en comparación con el titanio puro. El daño de desgaste está afectado críticamente por la ductilidad del material, por lo tanto, por el elemento de aleación. La aleación Ti6Al7Nb mostró una mejor resistencia a la corrosión y un comportamiento similar de tribocorrosión en comparación con la aleación Ti6Al4V.

Los resultados de esta tesis han demostrado que el Ti6Al7Nb obtenido por pulvimetalurgia es una prometedora aleación biomédica para implantes orales. El deterioro del desgaste de las aleaciones de Ti sinterizadas depende del potencial electroquímico y su comportamiento a tribocorrosión se ve afectado de manera crítica por un alto contenido de ion flúor

El titani i els seus aliatges s'han utilitzat en l'implantologia oral degut a les seves propietats mecàniques, resistència a la corrosió i biocompatibilitat. No obstant això, en condicions in vivo els implants són sotmesos al fenomen de tribocorrosió, que consisteix en els mecanismes de degradació causats per l'efecte combinat de desgast i corrosió. Aquest procés contribueix a limitar la vida útil de l'implant i pot generar problemes clínics com l'alliberament d'ions metàl¿lics. Una altra causa de fracàs de l'implant dental pot ser la pèrdua de fixació de l'implant, ja que el metall no promou l'osteointegració. El procés de pulvimetal¿lúrgia és una alternativa prometedora al procés tradicional de fabricació (colada i forja) d'aliatges de titani per al disseny d'implants ossis, ja que l'estructura porosa permetria que l'os creixca dins dels porus. Això donaria lloc a una millor fixació de l'implant metàl¿lic.

La present tesi doctoral pretén descriure el comportament enfront de la corrosió i tribocorrosió dels aliatges de titani i els seus mecanismes de degradació quan es processen mitjançant pulverimetal¿lúrgia, com una possible alternativa a la fabricació estàndard per forja per a l'aplicació d'implants dentals. Per a això, s'ha estudiat el model d'aliatge de titani Ti6Al4V i possible substitució per l'aliatge Ti6Al7Nb, on el vanadi ha estat substituït per niobi per evitar la citotoxicitat del biomaterial resultant. La caracterització electroquímica i tribo-electroquímica dels biomaterials s'ha dut a terme en diferents condicions fisicoquímiques amb rellevància biològica (en saliva artificial (AS) amb fluorur, pH i condicions oxidants) que influix notablement en els mecanismes de degradació dels materials estudiats. També s'ha utilitzat una nova tècnica de tribocorrosió que permet mesurar el potencial galvànic i el corrent entre la pista de desgast (ànode) i el material passiu (càtode) a través de la ametria de resistència zero (Zero-Resistence Ammetry, ZRA) per elucidar els mecanismes de tribocorrosió de l'aliatge de forja Ti6Al4V en AS. La tècnica ZRA per tribocorrosió va permetre predir l'àrea real despassivada i, per tant, la desviació dels mecanismes de desgast de la llei de desgast de Archard en OCP.

Tots els aliatges mostren passivitat en la saliva artificial, tot i que la dissolució activa es produix en presència d'alta concentració de fluorur (1000 ppm) i condicions àcides, pH 3. El mecanisme de degradació dels aliatges sinteritzats es regix principalment pel desgast mecànic en AS i només determinat per la dissolució activa quan s'afegixen fluorurs a la saliva artificial acidificada (pH 3). Es va trobar que el desgast es regix per la condició oxidant predominant (simulada per canvis en el potencial d'elèctrode).

L'aliatge Ti6Al4V processada per pulverimetal¿lúrgia va mostrar una resistència similar a la tribocorrosió quan es va comparar amb l'aliatge forjada comercial disponible, el que suggerix que la pulverimetal¿lúrgia és un prometedor procés de fabricació per a aplicacions d'implants. S'ha estudiat la influència dels elements d'aliatge Al i Nb sobre el comportament de corrosió i tribocorrosió de diferents aliatges de titani Ti6Al7Nb, Ti7Nb i Ti6Al i en tots els casos la resistència a la corrosió es millora en comparació amb el titani pur. Es va trobar que el dany de desgast està afectat críticament per la ductilitat del material, per tant, per l'element d'aliatge. L'aliatge Ti6Al7Nb va mostrar una millor resistència a la corrosió i un comportament similar de tribocorrosió en comparació amb l'aliatge Ti6Al4V.

Els resultats d'aquesta tesi han demostrat que el Ti6Al7Nb obtingut per pulverimetal¿lúrgia és un prometedor aliatge biomèdic per a implants orals. El deteriorament del desgast dels aliatges de Ti sinteritzats depèn del potencial electroquímic i el seu comportament a tribocorrosió es veu afectat de manera crí