Bio-functionalization of tribocorrosion resistant β type Ti-based hybrid surfaces

Abstract

β-Ti alloys are known for their very low Young’s modulus and biocompatibility, hence they are considered as attractive metallic materials for long-term bone implant applications. However, β-Ti alloys are poor wear resistant and typically bioinert materials, thus their surfaces need to be modified to have wear resistant and bioactive properties. The present PhD work aimed at developing TiN rich and bio-functionalized surfaces on low Youngʼs modulus β-type Ti alloys to improve mechanical, triboelectrochemical, and biological properties. The β-type Ti-Nb alloys and TiN reinforced Ti-Nb composites were processed by both casting and powder metallurgy routes. The bio-functionalization was performed by using different surface modification approaches as anodic treatments and PVD coatings. The corrosion and tribocorrosion behavior of base material as well as the biofunctionalized surfaces were evaluated by using the electrochemical and triboelectrochemical methods in physiological solutions at body temperature. The results showed that the cast and P/M β-type Ti-Nb alloys present a poor degradation behavior as compared to both the α+β-type Ti-Nb and commercial Ti-6Al-4V alloys. The adhesion, corrosion, and tribocorrosion behavior of the nanotubular layer formed on β-type Ti-40Nb alloy were drastically improved after a second-step anodic treatment in fluoride-free electrolyte due to the formation of an additional oxide layer in the interface, followed by heat treatment that yielded the transformation from amorphous to mixed anatase and rutile. On the other hand, the Ti-40Nb reinforced with TiN particle and further functionalization by two-step anodic treatment followed by heat treatment significantly improved the degradation behavior of the composites when compared with unreinforced alloy due to the load-carrying role of the hard reinforcement phases that gave support to the functionalized surface layer. In the case of ZnO/TiN coated Ti-12Nb alloy, results indicated that double-layer coated samples showed better degradation resistance compared to uncoated and single TiN coating samples. Particularly, a novel multi-functional material has been developed by hard TiN particle reinforcement following by bio functionalization of its surface suggested as solution to overcome the pointed clinical limitations of load bearing implants.

As ligas β-Ti são consideradas um material promissor para aplicações ortopédicas devido ao seu baixo módulo de Young e biocompatibilidade. No entanto, estas ligas apresentam uma baixa resistência ao desgaste e são, normalmente, bioinertes, sendo por isso necessário proceder à modificação das suas superfícies de forma a torná-las bioativas e resistentes ao desgaste. Este trabalho teve como objetivo a bio-funcionalização de superfícies ricas em TiN em de ligas β-Ti de baixo módulo de Young, de forma a melhorar as propriedades mecânicas, triboelectroquímicas e biológicas. As ligas β Ti-Nb bem como os compósitos Ti-Nb reforçados com TiN foram produzidas por metalurgia dos pós e por fundição. A bio-funcionalização foi efetuada recorrendo a diferentes técnicas, tais como tratamentos de anodização e deposição por PVD. O comportamento à corrosão e tribocorrosão dos dos materiais base e após a sua bio-funcionalização foi avaliado recorrendo a técnicas eletroquímicas e triboelectroquímicas em soluções fisiológicas à temperatura corporal. Os resultados mostram que as ligas β Ti-Nb e Ti-6Al-4V (comercial) apresentam melhor resistência à degradação que as liga β-Ti. A adesão, o comportamento à corrosão e tribocorrosão da camada de nanotubos de TiO2 formados na liga β Ti-40Nb foram significativamente melhoradas após um segundo tratamento de anodização seguido de tratamento térmico, devido à formação, entre o material de base e a camada nanotubular, de uma camada adicional de óxido e à transformação da fase amorfa numa mistura de anátase e rútilo. O comportamento à corrosão e tribocorrosão dos compósitos Ti-40Nb/TiN bio-functionalizados por anodização em dois passos seguido de tratamento térmico é francamente superior ao da liga Ti-40Nb devido ao efeito de transferência de carga das partículas de reforço que dão suporte à camada funcionalizada. Por outro lado, a dupla camada ZnO/TiN depositada na liga Ti-12Nb resulta numa melhor resistência à degradação em comparação com a liga base ou com o revestimento de TiN. O novo material multifuncional, desenvolvido através de reforços de partículas duras de TiN seguido de bio-funcionalização de sua superfície, surge como uma solução que pode ultrapassar limitações clínicas apontadas aos materiais tradicionalmente usados em implantes.