Préparation et caractérisation du roman comme

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11874 (2022) Citer cet article

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Le Ti et ses alliages sont les dispositifs de biomatériaux métalliques les plus utilisés en raison de leur excellente combinaison de propriétés chimiques et mécaniques, de biocompatibilité et de non-toxicité pour le corps humain. Cependant, les alliages actuellement disponibles présentent encore plusieurs problèmes, tels que la cytotoxicité de Al et V et des valeurs de module élastique élevées, par rapport à l'os humain. Les alliages de type β, par rapport aux alliages Ti de type α et (α + β), ont un module d'élasticité inférieur et une résistance mécanique supérieure. Ensuite, de nouveaux alliages biomédicaux de type β sont en cours de développement avec des éléments d'alliage non cytotoxiques, tels que Mo et Nb. Par conséquent, les alliages du système Ti-5Mo-xNb ont été préparés par fusion à l'arc sous argon. La composition chimique a été évaluée par analyse EDS et les mesures de densité ont été effectuées par la méthode d'Archimède. La structure et la microstructure des alliages ont été obtenues par diffraction des rayons X et microscopie optique et électronique à balayage. Les valeurs de microdureté ont été analysées et des tests au MTT et au cristal violet ont été effectués pour évaluer leur cytotoxicité. Lorsque la concentration en Nb augmente, la présence de la phase β-Ti augmente également, l'alliage Ti-5Mo-30Nb présentant une seule phase β-Ti. En revanche, la microdureté des alliages diminue avec l'ajout de Nb, sauf l'alliage Ti-5Mo-10Nb, qui voit sa microdureté augmentée probablement en raison de la précipitation de la phase ω. Des tests biologiques in vitro ont montré que les alliages ne sont pas cytotoxiques.

De nos jours, le nombre de personnes âgées augmente dans le monde. Par conséquent, la demande de matériaux pour remplacer les tissus durs, tels que les implants de la hanche et du genou, augmente également pour offrir une meilleure qualité de vie et un traitement clinique des maladies liées à l'âge1,2. En raison de leurs excellentes propriétés, telles qu'une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à la corrosion, un faible module d'élasticité et une excellente biocompatibilité, les alliages de Ti sont largement utilisés dans les applications biomédicales3. Les alliages CP-Ti et Ti-6Al-4 V sont largement utilisés comme matériaux d'implant4. Cependant, des études ont montré que les ions V sont cytotoxiques et peuvent provoquer des effets indésirables dans l'organisme, tandis que les ions Al peuvent induire des troubles neurologiques, tels que la maladie d'Alzheimer2,5. Par conséquent, de nouveaux alliages sans Al et V sont en cours de développement, conservant les propriétés déjà connues des alliages de Ti. Pour surmonter ce problème, des éléments β-stabilisants non toxiques et non allergènes, tels que Ta, Zn, Sn, Nb et Mo, sont utilisés. Ces éléments produisent des alliages de Ti à haute résistance mécanique et à faible module d'élasticité6.

Bien que certaines études indiquent que la libération d'ions Mo peut être toxique7,8, d'autres montrent que les alliages de Ti contenant du Mo présentent une excellente biocompatibilité9, comme Ti-15Mo10, Ti-15Mo-5Mn11 et Ti-12Mo-6Zr-2Fe (TMZF)12 . D'autres études ont montré que les alliages de Ti contenant du Mo présentent une bonne compatibilité mécanique13, tels que Ti-Mo14 et Ti-Mo-Ta15. En outre, Karthega et al.16, Oliveira et al.17 et Zhou et al.18 ont montré que les alliages Ti-Mo ont une excellente résistance à la corrosion contre les fluides corporels simulés13. D'autres études ont montré que les alliages Ti-Mo-Nb présentaient de bonnes propriétés mécaniques, une résistance à la corrosion19,20,21 et une biocompatibilité in vitro adéquate22. Mo est également un élément fortement β-stabilisant. Par conséquent, des concentrations élevées peuvent entraîner une augmentation de l'énergie de liaison atomique, tendant à augmenter le module d'élasticité des alliages23. Ainsi, en raison du faible nombre d'études avec des alliages ternaires de Ti-Mo-Nb à faible concentration en Mo, en faisant varier le Nb de faibles à fortes teneurs, et visant à éviter une augmentation du module d'élasticité des alliages et une éventuelle cytotoxicité de Mo, il a été choisi de travailler avec seulement 5% en poids d'élément Mo dans les alliages.

De plus, le Brésil possède environ 90 % des ressources mondiales de niobium, représentant environ 95 % de la production mondiale. Ainsi, d'un point de vue économique et stratégique, il est crucial d'investir dans la recherche relative au traitement et au développement d'alliages contenant du niobium, car le Brésil est le leader mondial des ressources de ce métal24,25.

Dans cette étude, un nouveau système d'alliages Ti-Mo-xNb (x = 0, 10, 20 et 30 % en poids) a été préparé par fusion à l'arc sous argon pour évaluer l'effet du Nb sur les propriétés mécaniques des alliages à faible teneur en Mo.

Le tableau 1 présente la composition chimique obtenue par EDS. Il est possible d'observer que la composition chimique est restée proche des valeurs nominales. La figure 1 montre le spectre EDS pour chaque lingot brut de coulée étudié, où seuls les pics des éléments d'alliage (Ti, Mo et Nb) sont observés, indiquant une bonne qualité des échantillons produits. La figure 2 montre les cartographies élémentaires EDS de chacun des alliages produits après fusion. On constate que les éléments sont bien répartis. Aucun élément aggloméré et ségrégué n'a été observé, montrant l'excellente homogénéité des lingots. Pour une meilleure visualisation, les éléments du système étudié ont été étiquetés avec différentes couleurs, Ti comme rouge, Mo vert et Nb bleu.

Analyse chimique qualitative des alliages du système Ti-5Mo-Nb bruts de coulée par EDS.

Cartographie chimique des éléments Ti (rouge), Mo (vert) et Nb (bleu) des alliages du système Ti-5Mo-Nb coulés par EDS.

La figure 3 montre la comparaison entre la densité mesurée et la densité théorique calculée respective des alliages. Les densités théorique et expérimentale sont restées proches, preuve d'une stoechiométrie convenable des alliages produits.

Comparaison entre les densités théoriques et expérimentales des alliages du système Ti-5Mo-Nb.

Une augmentation de la densité est observée lorsque la teneur en Nb des alliages augmente, allant de 4,66 g/cm3, pour l'alliage Ti-5Mo, à 5,48 g/cm3 pour l'alliage Ti-5Mo-30Nb. Cette augmentation était due au fait que la densité des éléments d'alliage Mo (10,22 g/cm3) et Nb (8,58 g/cm3) était supérieure à la densité de Ti (4,54 g/cm3)26.

Les valeurs de densité des alliages étudiés sont restées faibles par rapport à d'autres biomatériaux métalliques, tels que l'AISI 316L (7,93 g/cm3) et les alliages CoCr (9,2 g/cm3), et les valeurs sont relativement proches du CP-Ti (4,5 g /cm3) et alliage Ti-6Al-4 V (4,42 g/cm3)27.

Les diagrammes de rayons X sont illustrés à la Fig. 4. L'alliage Ti-5Mo brut de coulée est principalement composé de la phase α '(63%), présentant également 22% de la phase α "et une petite quantité de phase β ( 15 %). Lors de l'ajout de 10 % en poids de Nb à l'alliage, il y a toujours la présence des trois phases de Ti, mais la quantité de phases α" et β a augmenté à 50 % et 38 %, respectivement, avec une diminution à 12 % de la phase α'. L'alliage Ti-5Mo-20Nb prédit comme un alliage β métastable a montré des pics de la phase orthorhombique α "(40%) et de la phase β (60%). Enfin, l'alliage Ti-5Mo-30Nb n'a présenté que des pics de la phase β Ainsi, il a été observé qu'avec l'ajout de Nb, il y a une augmentation de la teneur en phase β dans la microstructure des alliages du système Ti-5Mo-xNb, et avec 30% en poids de Nb, il est possible d'obtenir un alliage à prédominance de phase β après fusion.

Diffractogrammes de rayons X d'alliages du système Ti-5Mo-Nb bruts de coulée.

Bien qu'il existe des représentations plus simples des alliages Ti-Mo28,29 et Ti-Nb30,31, le schéma proposé par Zhang et al30,31 présente la large gamme d'états transitoires et de transformations de phase due au large champ α + β. Pour les basses températures, la formation de la phase ω est indiquée pour toutes les concentrations de Nb. La formation de phases martensitiques α' et α" a ensuite été ajoutée au diagramme, respectivement, pour des concentrations inférieures et supérieures à 14 % en poids de Nb30. Ce changement de phase de α' à α" s'est produit avec les alliages étudiés entre 10 et 20 % en poids. de Nb.

Des vitesses de refroidissement élevées forment la phase de martensite α' à partir du champ de phase β. Sa microstructure, caractérisée par une morphologie aciculaire grossière, provient de l'absence de croissance diffusionnelle de la phase β à α32. La phase martensitique α", également caractérisée par une morphologie aciculaire mais plus fine que la phase α', peut être générée par l'application de déformations mécaniques externes ou de vitesses de refroidissement élevées et se forme lorsque la concentration en éléments β-stabilisants est plus élevée que dans la Phase α' 32. La phase ω peut être formée par déformation mécanique, refroidissement rapide ou traitement de vieillissement thermique 32,33.

Les images OM et SEM sont présentées sur la figure 5 et corroborent les résultats des rayons X. Dans la microstructure des alliages Ti-5Mo et Ti-5Mo-10Nb, des aiguilles aciculaires fines et grossières ont été identifiées, typiques des phases α" et α', respectivement, en plus des joints de grains caractéristiques de la phase β. Le Ti- Les alliages 5Mo-20Nb et Ti-5Mo-30Nb ne présentent que des joints de grains équiaxes caractéristiques de la phase β34,35.

OM, avec un grossissement de 1000 × (à gauche), et SEM, avec un grossissement de 4000 × (à droite) des alliages Ti-5Mo (a), Ti-5Mo-10Nb (b), Ti-5Mo-20Nb (c) et Alliages Ti-5Mo-30Nb (d).

Les valeurs de microdureté Vickers des alliages sont indiquées sur la figure 6. Tous les alliages ont une microdureté supérieure au CP-Ti (148 HV), comme indiqué sur la ligne de référence rouge. Avec l'ajout de 10% de Nb, la valeur de microdureté passe de 300 à 515 HV. Xu et al.19 ont étudié les alliages du système Ti-15Mo-xNb et ont également obtenu une augmentation de la valeur de microdureté de l'alliage avec 10 % de Nb, qui peut être causée par la formation de la phase ω, qui rend le matériau plus dur et cassant36 ,37,38. Avec l'ajout de 20% et 30% de Nb, il y a une réduction des valeurs de microdureté à 330 HV et 200 HV, respectivement. Cette réduction peut s'expliquer par l'augmentation de la phase β dans ces alliages, qui tend à diminuer les valeurs de dureté des alliages puisque l'augmentation des éléments β-stabilisants réduit la force de la liaison chimique, facilitant la déformation plastique39,40,41. La réduction de la microdureté des alliages est importante car elle facilite leur conformation mécanique39. La microdureté de l'alliage Ti-5Mo est restée proche de l'AISI 316L (289 HV) et du Ti-6Al-4 V (304 HV), tandis que l'alliage Ti-5Mo-30Nb est resté bien en dessous de ces mêmes biomatériaux métalliques.

Microdureté Vickers des alliages du système Ti-5Mo-xNb bruts de coulée, par rapport à d'autres biomatériaux métalliques.

La structure des os est dynamique et leurs tissus peuvent varier en fonction de la charge appliquée42. Le tableau 2 présente les valeurs de microdureté Vickers des alliages étudiés par rapport à la moyenne de l'os cortical humain.

Selon la norme ISO1099344, un biomatériau ne sera considéré comme cytotoxique que si la viabilité cellulaire est inférieure à 70 %. Les alliages étudiés n'ont pas montré d'effet de cytotoxicité (Fig. 7, panneau de gauche). Les cellules dans le milieu de culture sont restées viables même après avoir été conditionnées aux alliages, ce qui peut être observé en activant la voie mitochondriale cellulaire, que MTT analyse.

Essais de viabilité cellulaire (à gauche) et d'adhésion (à droite) d'alliages du système Ti-5Mo-Nb coulés et de certains autres biomatériaux métalliques.

En ce qui concerne l'adhésion cellulaire, tous les alliages analysés ont maintenu des pourcentages supérieurs au groupe témoin, comme présenté à la Fig. 7, montrant un stimulus pour l'adhésion cellulaire dans le milieu de culture analysé, un facteur essentiel pour la survie cellulaire. Les différences trouvées lors de la comparaison des alliages étudiés pourraient être liées à leur capacité à interagir avec le milieu de culture cellulaire une fois qu'ils sont capables de libérer des éléments avec une capacité dynamique supplémentaire à modifier les performances cellulaires, comme nous l'avons signalé précédemment en évaluant d'autres alliages45, 46,47. En bref, les éléments libérés des alliages doivent entraîner différentes signalisations intracellulaires, principalement celles liées à l'activation des intégrines et nécessitant l'équilibre des actions des kinases et des phosphatases, mais de nouvelles approches expérimentales doivent être envisagées plus avant pour mieux comprendre ce mécanisme. Cependant, il est nécessaire de mentionner que tous les alliages étudiés ont favorisé une adhésion plus élevée lorsqu'ils ont été comparés au témoin, lorsque les cellules ont été maintenues dans des conditions de culture cellulaire classiques.

Avec les résultats obtenus, il s'ensuit que :

La composition chimique semi-quantitative par EDS confirme l'excellente qualité des lingots produits et que les éléments constitutifs des échantillons sont proches des compositions nominales initialement proposées.

La cartographie chimique des échantillons ne montre aucun agglomérat ou élément ségrégué, signe d'une bonne homogénéité des lingots produits.

La densité des alliages est restée faible et proche du CP-Ti, augmentant à mesure que la quantité de niobium augmentait.

La microstructure des alliages s'est révélée sensible à l'ajout de Nb : la quantité de phase β augmente avec la teneur en Nb des alliages, l'alliage Ti-5Mo-30Nb ne présentant que cette phase.

Les valeurs de microdureté Vickers ont diminué avec l'augmentation de Nb, sauf le Ti-5Mo-10Nb, qui a vu sa microdureté augmentée, probablement en raison de la présence de phase ω dans sa microstructure.

Les tests de cytotoxicité montrent que les alliages n'ont aucun effet cytotoxique et maintiennent les cellules viables, provoquant la stimulation de l'adhésion cellulaire, ce qui indique que les alliages ont un grand potentiel en tant que biomatériaux à utiliser dans le domaine de la santé. Les mesures d'angle de contact peuvent fournir une meilleure analyse de l'adhésion cellulaire.

Les échantillons ont été produits en utilisant du Ti grade 2 commercialement pur (CP-Ti, Sandinox), du Mo (99,9 % de pureté, Sigma-Aldrich) et du Nb (99,8 % de pureté, Sigma-Aldrich) comme matériaux précurseurs. Les métaux ont été séparés dans la composition nominale de chaque alliage. Des lingots d'environ 60 g ont été fondus à l'aide d'un four de fusion à arc avec une électrode de tungstène dans une atmosphère de gaz argon inerte et contrôlée. Pour assurer l'homogénéité de chaque échantillon, les lingots ont été refondus cinq fois.

Après fusion, les lingots ont été caractérisés chimiquement, avec des mesures de composition chimique effectuées par la méthode de spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS), à l'aide d'un détecteur modèle Oxford, INCA couplé à un équipement SEM. De plus, les valeurs de densités des échantillons ont été mesurées par la méthode d'Archimède dans une balance numérique.

Des analyses structurales et microstructurales ont été effectuées par diffractométrie des rayons X (XRD), microscopie optique (OM) et microscopie électronique à balayage (SEM). Les mesures XRD ont été effectuées sur un modèle Panalytical X'Pert-Pro, avec un rayonnement Cu-Kα, un courant de 30 mA, un potentiel de 40 kV et un mode continu. Les images OM et SEM ont été obtenues dans un microscope optique (modèle Olympus BX51M) et un microscope Carl Zeiss (modèle EVO-015). Le raffinement Rietveld des diagrammes XRD a été effectué par le logiciel GSAS50, avec l'interface EXPEGUI51, en utilisant les fiches techniques cristallographiques des phases métalliques de titane52, et un échantillon Ti-cp standard a été utilisé pour éliminer la contribution expérimentale de l'équipement23.

Les mesures de microdureté ont été obtenues dans l'équipement modèle Shimadzu HMV-2, avec cinq indentations dans chaque échantillon, une charge de 25 gf et une durée de 10 s. Les mesures ont été effectuées sur la base de la norme ASTM E9253.

Des tests biologiques de MTT et de cristal violet ont été effectués pour vérifier la viabilité et l'adhérence des cellules au contact d'échantillons des alliages produits. Afin de vérifier le potentiel cytotoxique des alliages, ils ont été maintenus en culture cellulaire pendant 24h, suivant la norme ISO 1099344. Après la période de conditionnement, le milieu de culture cellulaire (αMEM; Sigma) a été collecté et complété avec 10% de sérum bovin fœtal (FBS) (Nutricell, Campinas, SP, Brésil) et utilisé pour traiter les pré-ostéoblastes pendant 24 h. Les pré-ostéoblastes (MC3T3-E1, sous-clone 4) ont été obtenus auprès de l'ATCC et maintenus dans cette étude comme recommandé par les directives du fabricant. En bref, les cellules ont été maintenues à 37 ºC et 95 % d'humidité dans 5 % de CO2 dans un incubateur avec un milieu de culture cellulaire spécifique contenant des antibiotiques (100 U/mL de pénicilline, 100 mg/mL de streptomycine) additionnés de 10 % de sérum fœtal bovin. Les cellules ont été étalées 24 h avant le traitement dans une plaque à 96 puits et à une densité de 5 × 104 cellules/ml. Après le temps déterminé d'exposition à la culture cellulaire conditionnée, la viabilité de ces cellules a été mesurée à l'aide du test MTT. Là où le milieu de culture a été retiré, 1 mg / ml de sel de bromure de bleu de thiazolyle tétrazolium (Sigma Aldrich # M5455-1G) a été ajouté et placé dans un four pendant 3 h supplémentaires. Après cette période, la culture cellulaire a été retirée et 0,1 ml de DMSO a été ajouté pour solubiliser le colorant formé par les cellules viables. Ensuite, l'absorbance a été mesurée à 570 nm à l'aide d'un lecteur de microplaques multimode Biotek SYNERGY-HTX.

Pour les tests d'adhésion cellulaire, les pré-ostéoblastes ont été plaqués avec des milieux conditionnés par les alliages. Les cellules ont été ensemencées dans des plaques à 96 puits à une densité de 5 × 104 cellules/ml. Après 24 h, le milieu a été retiré et l'adhérence a été mesurée en incorporant du Crystal Violet. L'absorbance a été mesurée à 540 nm dans un lecteur de microplaques Biotek. Les résultats ont été représentés sous forme de moyenne ± écart type (SD). Ils ont été vérifiés à l'aide de l'ANOVA à un facteur (paramétrique) avec le post-test de Tukey pour comparer toutes les paires de groupes. Dans ce cas, p < 0,05 était considéré comme statistiquement significatif et p < 0,0001 était considéré comme hautement significatif. Le logiciel utilisé était GraphPad Prism 7.

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant.

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Les auteurs tiennent à remercier le professeur Oscar Balancin et Rover Belo (UFSCar) pour l'utilisation d'équipements de laminage à chaud. Cette étude a été financée en partie par la Coordination pour l'amélioration du personnel de l'enseignement supérieur - Brésil (CAPES) - Code des finances 001, CNPq (subvention # 308.204/2017-4) et FAPESP (subvention #2015/50.280-5 et 2020/03.257 -6).

Laboratoire d'Anélasticité et Biomatériaux, UNESP - Univ Estadual Paulista, Bauru, SP, 17.033-360, Brésil

Giovana Collombaro Cardoso, Dante Oliver Guim Corrêa, Diego Rafael Nespeque Correa & Carlos Roberto Grandini

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Giovana Collombaro Cardoso, Dante Oliver Guim Corrêa, Diego Rafael Nespeque Correa & Carlos Roberto Grandini

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Gerson Santos de Almeida & Willian Fernando Zambuzzi

Bauru School of Dentistry, Université de Sao Paulo, Bauru, SP, 17.012-901, Brésil

Marília Afonso Rabelo Buzalaf

IFSP - Institut fédéral d'éducation, de science et de technologie de São Paulo, Sorocaba, SP, 18.095-410, Brésil

Diego Rafael Nespeque Correa

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Correspondance à Carlos Roberto Grandini.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Cardoso, GC, de Almeida, GS, Corrêa, DOG et al. Préparation et caractérisation de nouveaux alliages Ti-Mo-Nb bruts de coulée pour des applications biomédicales. Sci Rep 12, 11874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8

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Reçu : 14 mars 2022

Accepté : 13 juin 2022

Publié: 13 juillet 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-14820-8

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