Les formes de corrosion des implants orthopédiques métalliques : l’effet pile

A. AARON - Société FHI

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Les implants métalliques sont soumis à 4 modes principaux de défaillance (1)(2)(3) :

La corrosion est définie dans le dictionnaire comme « une destruction superficielle des métaux, d’origine chimique ou électro chimique ».

La corrosion des métaux libère des ions métalliques.

La corrosion s’attaque principalement aux métaux actifs (chrome, fer) et s’attaque peu aux métaux passifs (métaux existants purs dans la nature à l’état natif tel que l’or, le cuivre, le platine). mais certaines formes de corrosion s’attaquent aussi également dans des circonstances particulières aux métaux passifs.

Les céramiques ne sont pas sujettes à la corrosion.

Dans le milieu biologique, les implants orthopédiques sont soumis aux attaques de différentes formes de corrosion qui toutes affaiblissent ses caractéristiques mécaniques.

corrosion par piqûre ( pitting corrosion)

Ce type de corrosion concerne les métaux ayant une couche externe passivée détériorée par un frottement ou un choc. Ce type de corrosion reste localisé à la zone de la peau passivée détériorée mais peut diffuser sous cette couche créant une cavité.

Elle est provoquée par un contact avec un autre matériau métallique ou pas. La présence d’oxygène accélère ce type de corrosion.

La corrosion par piqûre est une corrosion par effet pile qui se produit entre la couche passivée (cathode) du métal et la couche superficielle dont la passivation a été détruite (anode).(4)

La passivation par immersion dans un bain d’acide nitrique notamment est obligatoire pour les aciers inox (5)(6) et les alliages de cobalt chrome. Les alliages de titane se passivent naturellement à l’air ambiant.(7)

Les alliages de titane qui passivent naturellement (couche de TiO2) sont peu sensibles à ce type de corrosion.

L’ajout de molybdène aux aciers inox réduit ce risque de corrosion.

corrosion inter granulaire (intergranular corrosion) ou micro galvanisme

Cette corrosion affecte les métaux qui contiennent des impuretés telles que carbure, nitrites, ferrites, aluminates dans les espaces inter granulaires.

Un effet de pile crée une corrosion entre ces impuretés et l’alliage. Elle détruit les joints entre les grains de la structure métallique et réduit la résistance mécanique. (8)

corrosion sous contrainte (stress corrosion cracking) due à la combinaison de contraintes mécaniques dans un environnement oxydant.

le fretting corrosion dû aux frottements répétitifs de faibles amplitudes tel que des vibrations qui vont détériorer la couche passivée exposant ainsi le métal à l’oxydation et créer des débris qui s’oxydent par effet de pile entre ces débris et la zone de métal dont la couche passivée a été détruite.(9).

Ce type de corrosion a été décrit fréquemment dans les années 1990 pour les liaisons tête inox sur tige de hanche cobalt chrome, alliage de titane ou inox. L’amélioration de précision des usinages et le micro filetage des cônes mâles des tiges ont fait pratiquement disparaître ces cas de corrosion.

la corrosion microbiologique causée par la présence et l’activité de micro-organisme dont certains, notamment en cas d’infection, peuvent acidifier la région prothétique.

la corrosion galvanique ou « effet de pile » qui résulte notamment du contact de 2 métaux différents.

Le métal le moins noble s’oxyde et se dissout (anode) plus que le métal le plus noble (cathode).

L’effet pile est augmenté si la surface de métal noble est très supérieure à celle du métal non noble.

Pour avoir une corrosion galvanique, trois conditions sont nécessaires :

la corrosion galvanique par concentration.

La corrosion galvanique peut exister aussi lorsqu’un même métal est soumis à une concentration élevée d’ions métalliques sur une de ses parties. Cette partie se comportera comme une anode et se corrodera rapidement, la partie au contact d’une concentration faible d’ions se comportera comme une cathode et sera protégée de la corrosion.

La résorption d’implants en acide lactique type PLLA des vis biorésorbables peut générer une zone acidifiée qui est susceptible de corroder un implant métallique situé à proximité.

Les différentes formes de corrosion peuvent se combiner :

Le couple inox/inox est le plus sensible à ce type de corrosion qui affecte très peu les liaisons titane/titane ou titane/inox.

Les méthodes de fabrication peuvent créer des corrosions par piqûre ou des corrosions inter granulaires. (pollutions lors de traitements de surface par microbillage, traitements thermiques, soudure, marquage laser altérant la couche passivée, pollution par les outils de coupe ou moyens de bridage sur les machines…)

Les traitements thermiques peuvent fragiliser des alliages et les rendre sensibles à la corrosion inter granulaire alors que le Compactage Isostatique à Chaud ( HIP) réduit ce risque.

Les alliages de cobalt chrome subissent obligatoirement une hypertrempe avec remise en solution des carbures pour réduire le risque de corrosion inter granulaire.

Le contact avec des instruments inappropriés peut amorcer des corrosions par piqûre sur les implants. L’infection ou la résorption d’implants biorésorbables peut créer une corrosion galvanique par concentration. Les restérilisations multiples (matériel d’ostéosynthèse, par exemple) peuvent créer des corrosions par fretting, des corrosions galvaniques et des corrosions par piqûre. (lessives ou désinfectants chlorés).

(1) Corrosion of bio implants U KAMACHI MUDALI, T M SRIDHAR and BALDEV RAJ Metallurgy and Materials Group, Indira Gandhi Centre for Atomic Research, ) S¯adhan¯a Vol. 28, Parts 3 & 4, June/August 2003, pp. 601–637. © Printed in India -Kalpakkam 603 102, India
(2) Livre multimedia de la corrosion- Laboratoire de Physico Chimie – INSA LYON
(3) Kruger J 1979 Fundamental aspects of corrosion of metallic implants. In Corrosion and degradation of implant materials (eds) B C Syrett, A Acharya, ASTM STP 684, pp 107-113
(4) STANDARD SPECIFICATION FOR CHEMICAL PASSIVATION TREATMENT FOR STAINLESS STEEL – ASTM A 967-99
(5) CLEANING , DESCALING* and PASSIVATION OF STAINLESS STEEL – ASTM A 380-99
(6) STANDARD SPECIFICATION FOR CHEMICAL PASSIVATION TREATMENTS FOR STAINLESS PARTS
(7) Arumugam T K, Rajeswari S, Subbaiyan M 1998 Electrochemical behaviour of advanced stainless steel implant material in saline physiological solution with calcium and phosphate ions and serum proteins. Trans. Indian Inst. Met. 51: 417–22
(8) Kamachi Mudali U 1993 Studies on pitting, intergranular corrosion and passive film of nitrogenbearing austenitic stainless steels. Ph D thesis, University of Madras
(9) Syrett B C,Wing S S 1978 An electrochemical investigation of fretting corrosion of surgical implant materials. Corrosion 11: 379–386