SOMMAIRE
INTRODUCTION…………………………………………………………………………….4
CHAPITRE I : RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES
I .1
Généralités sur les biomatériaux ………………………………………………….6
I.1.1
Les champs d'application des biomatériaux …………………………………….8
I.1.1.1 Ophtalmologie……………………………………………………………………….8
I.1.1.2 Odontologie - Stomatologie………………………………………………………..8
I.1.1.3 Chirurgie Orthopédique…………………………………………………………….8
I.1.1.4 Cardiovasculaire…………………………………………………………………….8
I.1.1.5 Urologie/Néphrologie ………………………………………………………………9
I.1.2
I.2
I.2.1
I.2.2
I.2.3
Les directions de recherche ……………………………………………………….9
Les matériaux à vocation de biomatériaux……………………………………….9
Les métaux et alliages métallique ……………………………………………….10
Les céramiques ………………………………………………………………… ..11
Les polymères et autre matière molle …………………………………….........12
I.2.3.1 La recherche de polymères fonctionnels ………………………………………12
I.2.3.2 La recherche de polymères résorbables ………………………………………12
I.3
Les matériaux d'origine naturelle ………………………………………………..13
I.4
Les besoins de connaissances en amont des biomatériaux………………. …14
I.4.1
Conception de biomatériaux, propriétés physicochimiques……………………14
I.4.2
Biocompatibilité et Bio fonctionnalité ……………………………………............15
I.5
Acier inoxydable ……………………………………………………………………15
I.5 .1 Composition des aciers inoxydables……………………………………………..16
I.5 .2 Les éléments d’addition……………………………………………………………16
I.5.2.1 Le chrome…………………………………………………………………………...16
I.5.2.2 Le carbone ………………………………………………………………………….16
I.5.3
Autres éléments ……………………………………………………………………17
I.5.4 Types d'aciers inoxydables………………………………………………………...17
I.6
L'acier inoxydable de type 316L…………………………………………………..19
I.6.1 Applications………………………………………………………………………….19
I.6.2 Elément chimique en % par poids ………………………………………….........19
I.6.2.1 les Propriétés ……………………………………………………………………...19
I.7
le titane……………………………………………………………………………….20
I. 7.1 Propriétés Physiques ……………………………………………………………...20
1.7.1.1 Propriétés Physique de base ……………………………………………………20
I.7.1.2 Biocompatibilité …………………………………………………………………..21
I.7.2
Propriétés Chimiques……………………………………………………………..21
I.7.2.1 Corrosion classique du titane ……………………………………………………21
I.7.2.2 Corrosion spécifique du titane……………………………………………………22
I.7.2.3 Industrie chimique ………………………………………………………………...22
I.7.2.4 Secteur biomédical ………………………………………………………………...23
I.8
Les essais de corrosion des biomatériaux …………………………………........23
I.9
Les milieux …………………………………………………………………………...25
1.9.1 Milieux naturels ……………………………………………………………………..25
I.9.2 Milieux artificiels ……………………………………………………………………...26
I.10 La corrosion …………………………………………………………………….......27
I.10.1 Principes de base de la corrosion métallique …………………………………...27
I.11 Série galvanique de quelques métaux……………………………………………..29
I.12 Influence du milieu biologique…………………………………………………........29
I.12.1 Eléments importants du milieu ………………………………………………........29
I.12.2 Influence du milieu biologique …………………………………………………….30
I.12.3 Types de corrosion en milieu biologique …………………………………………30
I.12.3.1 Corrosion par piqûre…………………………………………………………. …30
I.12.3.2 Corrosion en présence de crevasse……………………………………………30
I.12.3.3 Corrosion inter granulaire………………………………………………………..30
I.12.3.4 Corrosion sous contrainte………………………………………………………..31
CHAPITRE II: LOGICIEL ET PROCEDURE DE SIMULATION
II. COMSOL Multiphysics Logiciel de simulation ………………………………………32
II.1 Configuration ………………………………………………………………………….32
II.1.1 La famille de produits COMSOL ………………………………………………….32
II.1.2 La société COMSOL ……………………………………………………………….32
II.1.3 Marques déposées ………………………………………………………………….33
II.1.4 L’innovation crée la valeur ajoutée ………………………………………………33
II.1.5 La réalité est multiphysique ………………………………………………………33
II.2 Version 3.2a de COMSOL Multiphysics …………………………………………...33
II.3 Modélisation multiphysique …………………………………………………………35
II.3.1 Mise en route rapide pour COMSOL …………………………………………….35
II.4 l’équation de Nernst Planck …………………………………………………………37
CHAPITRE III : RESULTATS DE SIMULATION
Partie I :caverne en surface …………………………………………………………….38
III.1 Etude de la caverne localisée au niveau de la couche de Titane ………………38
III.1.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%..................38
III.1.1.1 Influence des contours …………………………………………………………38
III.1.1.2 Influence de la profondeur de la caverne……………………………………..40
III.1.1.3 Valeurs du pH en horizontal …………………………………………………….41
III.1.2 Influence de la géométrie de la caverne ………………………………………..43
III.1.2 .1 Influence du contour ……………………………………………………………43
III.1.2.2 Influence de la profondeur de la caverne……………………………………45
III.1.2.3 Valeurs du pH en horizontal …………………………………………………..46
III.1.3
Solution de Brugirard……………………………………………………………47
III.1.3.1 Influence des contours ………………………………………………………….48
III.1.3.2 Influence de la profondeur de la caverne ……………………………………48
III.1.4 cas où la caverne atteint le substrat……………………………………………...51
III.1.4.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%...............51
III.1.4.1.1 Influence des contours ………………………………………………………...52
III.1.4.1.2 Influence de la profondeur de la caverne………………………………......53
III.1.5 Solution de Brugirard………………………………………………………………53
III.1.5.1 Influence de la profondeur de la caverne ……………………………….........54
Partie II :
III.2 Caverne à l’interface Ti /316L……………………………………………………55
III.2.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%..................55
III.2.2 Les réactions chimiques se produisant à l’intérieur de la cavité de la piqûre. 56
III.2.3 Influence de la profondeur de la caverne ………………………………………57
III.2.3.1 Influence des contours …………………………………………………………..57
III.2.3.2 Valeurs du pH en horizontal …………………………………………………….58
III.2.4 Solution de Brugirard ……………………………………………………………...60
III.2.4.1 Influence de la profondeur de la caverne …………………………………….61
III.2.4.2 Influence des contours …………………………………………………………..61
III.2.4.3 Valeurs du pH en horizontal…………………………………………………….62
Discussion …………………………………………………………………………………65
Conclusion……………………………………………………………………………...….66
Références bibliographiques……………………………………………………...……67
SOMMAIRE
INTRODUCTION…………………………………………………………………………….4
CHAPITRE I : RECHERCHES BIBLIOGRAPHIQUES
I .1
Généralités sur les biomatériaux ………………………………………………….6
I.1.1
Les champs d'application des biomatériaux …………………………………….8
I.1.1.1 Ophtalmologie……………………………………………………………………….8
I.1.1.2 Odontologie - Stomatologie………………………………………………………..8
I.1.1.3 Chirurgie Orthopédique…………………………………………………………….8
I.1.1.4 Cardiovasculaire…………………………………………………………………….8
I.1.1.5 Urologie/Néphrologie ………………………………………………………………9
I.1.2
I.2
I.2.1
I.2.2
I.2.3
Les directions de recherche ……………………………………………………….9
Les matériaux à vocation de biomatériaux……………………………………….9
Les métaux et alliages métallique ……………………………………………….10
Les céramiques ………………………………………………………………… ..11
Les polymères et autre matière molle …………………………………….........12
I.2.3.1 La recherche de polymères fonctionnels ………………………………………12
I.2.3.2 La recherche de polymères résorbables ………………………………………12
I.3
Les matériaux d'origine naturelle ………………………………………………..13
I.4
Les besoins de connaissances en amont des biomatériaux………………. …14
I.4.1
Conception de biomatériaux, propriétés physicochimiques……………………14
I.4.2
Biocompatibilité et Bio fonctionnalité ……………………………………............15
I.5
Acier inoxydable ……………………………………………………………………15
I.5 .1 Composition des aciers inoxydables……………………………………………..16
I.5 .2 Les éléments d’addition……………………………………………………………16
I.5.2.1 Le chrome…………………………………………………………………………...16
I.5.2.2 Le carbone ………………………………………………………………………….16
I.5.3
Autres éléments ……………………………………………………………………17
I.5.4 Types d'aciers inoxydables………………………………………………………...17
I.6
L'acier inoxydable de type 316L…………………………………………………..19
I.6.1 Applications………………………………………………………………………….19
I.6.2 Elément chimique en % par poids ………………………………………….........19
I.6.2.1 les Propriétés ……………………………………………………………………...19
I.7
le titane……………………………………………………………………………….20
I. 7.1 Propriétés Physiques ……………………………………………………………...20
1.7.1.1 Propriétés Physique de base ……………………………………………………20
I.7.1.2 Biocompatibilité …………………………………………………………………..21
I.7.2
Propriétés Chimiques……………………………………………………………..21
I.7.2.1 Corrosion classique du titane ……………………………………………………21
I.7.2.2 Corrosion spécifique du titane……………………………………………………22
I.7.2.3 Industrie chimique ………………………………………………………………...22
I.7.2.4 Secteur biomédical ………………………………………………………………...23
I.8
Les essais de corrosion des biomatériaux …………………………………........23
I.9
Les milieux …………………………………………………………………………...25
1.9.1 Milieux naturels ……………………………………………………………………..25
I.9.2 Milieux artificiels ……………………………………………………………………...26
I.10 La corrosion …………………………………………………………………….......27
I.10.1 Principes de base de la corrosion métallique …………………………………...27
I.11 Série galvanique de quelques métaux……………………………………………..29
I.12 Influence du milieu biologique…………………………………………………........29
I.12.1 Eléments importants du milieu ………………………………………………........29
I.12.2 Influence du milieu biologique …………………………………………………….30
I.12.3 Types de corrosion en milieu biologique …………………………………………30
I.12.3.1 Corrosion par piqûre…………………………………………………………. …30
I.12.3.2 Corrosion en présence de crevasse……………………………………………30
I.12.3.3 Corrosion inter granulaire………………………………………………………..30
I.12.3.4 Corrosion sous contrainte………………………………………………………..31
CHAPITRE II: LOGICIEL ET PROCEDURE DE SIMULATION
II. COMSOL Multiphysics Logiciel de simulation ………………………………………32
II.1 Configuration ………………………………………………………………………….32
II.1.1 La famille de produits COMSOL ………………………………………………….32
II.1.2 La société COMSOL ……………………………………………………………….32
II.1.3 Marques déposées ………………………………………………………………….33
II.1.4 L’innovation crée la valeur ajoutée ………………………………………………33
II.1.5 La réalité est multiphysique ………………………………………………………33
II.2 Version 3.2a de COMSOL Multiphysics …………………………………………...33
II.3 Modélisation multiphysique …………………………………………………………35
II.3.1 Mise en route rapide pour COMSOL …………………………………………….35
II.4 l’équation de Nernst Planck …………………………………………………………37
CHAPITRE III : RESULTATS DE SIMULATION
Partie I :caverne en surface …………………………………………………………….38
III.1 Etude de la caverne localisée au niveau de la couche de Titane ………………38
III.1.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%..................38
III.1.1.1 Influence des contours …………………………………………………………38
III.1.1.2 Influence de la profondeur de la caverne……………………………………..40
III.1.1.3 Valeurs du pH en horizontal …………………………………………………….41
III.1.2 Influence de la géométrie de la caverne ………………………………………..43
III.1.2 .1 Influence du contour ……………………………………………………………43
III.1.2.2 Influence de la profondeur de la caverne……………………………………45
III.1.2.3 Valeurs du pH en horizontal …………………………………………………..46
III.1.3
Solution de Brugirard……………………………………………………………47
III.1.3.1 Influence des contours ………………………………………………………….48
III.1.3.2 Influence de la profondeur de la caverne ……………………………………48
III.1.4 cas où la caverne atteint le substrat……………………………………………...51
III.1.4.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%...............51
III.1.4.1.1 Influence des contours ………………………………………………………...52
III.1.4.1.2 Influence de la profondeur de la caverne………………………………......53
III.1.5 Solution de Brugirard………………………………………………………………53
III.1.5.1 Influence de la profondeur de la caverne ……………………………….........54
Partie II :
III.2 Caverne à l’interface Ti /316L……………………………………………………55
III.2.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%..................55
III.2.2 Les réactions chimiques se produisant à l’intérieur de la cavité de la piqûre. 56
III.2.3 Influence de la profondeur de la caverne ………………………………………57
III.2.3.1 Influence des contours …………………………………………………………..57
III.2.3.2 Valeurs du pH en horizontal …………………………………………………….58
III.2.4 Solution de Brugirard ……………………………………………………………...60
III.2.4.1 Influence de la profondeur de la caverne …………………………………….61
III.2.4.2 Influence des contours …………………………………………………………..61
III.2.4.3 Valeurs du pH en horizontal…………………………………………………….62
Discussion …………………………………………………………………………………65
Conclusion……………………………………………………………………………...….66
Références bibliographiques……………………………………………………...……67
Introduction :
La principale forme d’acier inoxydable utilisée en implantologie est le 316L, soit un
acier inoxydable austénitique. Contrairement à plusieurs autres, cet acier n’est pas
ferromagnétique, ce qui permet à des patients porteurs de ce type de matériau de se soumettre
aux examens d’imagerie par résonance magnétique .Cet acier est très ductile, ce qui lui
permet de se déformer fortement à froid, caractéristique particulièrement intéressante pour des
dispositifs tels que les stents endocoronariens, qui sont déployés dans
l’artère lors de
l’implantation. Les aciers inoxydables sont aussi largement utilisés en orthopédie pour la
fabrication de vis et de plaques de fixation, car leurs propriétés mécaniques sont appropriées.
Ces aciers ont aussi une très bonne résistance à la corrosion uniforme, grâce à leur
surface d’un film très d’oxyde très mince et protecteur. Les caractéristiques physicochimiques des couches passives conditionnent les propretés protectrices et donc la plus ou
moins grande résistance à la corrosion des aciers inoxydables. Cependant, la résistance des
films protecteurs n’est pas parfaite car il existe des situations où la tenue de la couche passive
se dégrade. La corrosion caverneuse est une manifestation de cette dégradation.
Le but de cette recherche est d’étudier la possibilité d’améliorer le comportement de
ces aciers à la corrosion localisée en les recouvrant d’une mince couche de titane, matériau
très résistant à la corrosion, en utilisant les outils de modélisation et de si mulation par
éléments finis.
Notre étude comporte trois chapitres :
Dans le premier chapitre, nous exposons des généralités sur les biomatériaux puis sur
l'acier inoxydable. Ensuite, nous étudions en détail l'acier inoxydable de type 316L et le
Titane.
Dans le second chapitre, nous présentons le logiciel de simulation COMSOL
Multphysics puis nous nous attardons sur sa version 3.2a que nous appliquons dans notre
étude, en plus de l'équation de Nernst Planck.
Le troisième chapitre se divise en deux parties :
Dans la première partie, nous mettons en surface la caverne.
4
L'objet d'étude la couche de Titane :
- Nous étudions l'influence du contour, de la profondeur de la caverne, et les valeurs
du pH en horizontal en utilisant le milieu physiologique simulé par 0.9% de NaCl, puis nous
étudions l'influence de la géométrie de la caverne.
- Nous reprenons la même étude mais on change le milieu physiologique, en utilisant
la solution de brugirard .
-l'objet d'étude : la couche de Titane et le substrat 316L.
Nous refaisons les mêmes étapes de l'étude précédente.
Dans la second parties, nous mettons la caverne à l'interface Ti/316L puis nous
recommençons la même étude, identique à la première partie.
Enfin, nous terminons notre présent travail par la discussion des résultats de notre
simulation et par une conclusion.
5
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
I.1 Généralités sur les biomatériaux [1] :
Il est peu de thérapeutiques chirurgicales qui ne fassent appel à des Biomatériaux ; on
peut citer par exemple le traitement chirurgical des traumatismes, des conséquences
cardiovasculaires, ophtalmologiques, urologiques ou articulaire du vieillissement, les tumeurs,
les maladies dégénératives, etc.
Pour mieux assurer cette sécurité, pour permettre d'obtenir des biomatériaux qui assurent un
service amélioré en termes de qualité ou de durée d'implantation, des recherches sont
indispensables.
Le cahier des charges délimite clairement le domaine, cerne les besoins et les enjeux
économiques, fournit des réflexions sur les champs de recherche et fixe des objectifs.
Les mécanismes de tolérance sont mal connus. Ils touc hent aux lois de comportement
des tissus ou des cellules vivantes mis au contact d'un biomatériau : interactions de type
chimique, mécanique, remodelage en fonction des contraintes appliquées, devenir des cellules
en fonction de la nature chimique ou physique du support, adhésion cellulaire, nature des
réactions aux produits de dégradation, qu'ils soient constitués de particules, de molécules ou
d'atomes. Il s'agit d'un vaste domaine pluridisciplinaire, encore très incomplètement exploré
où chaque discipline devrait être impliquée : Science des Matériaux, Mécanique des Fluides,
des Solides, Anatomie, Biologie Cellulaire, Chirurgie, etc.
Un des obstacles le plus généralement rencontré est au mieux résumé par le mot
"biocompatibilité", qui sous-entend l'existence de difficultés liées à la présence d'une interface
entre les matériaux utilisés dans ces systèmes artificiels -qui prennent dès lors le nom de
biomatériaux- et les tissus de l'hôte.
Pendant longtemps, la biocompatibilité a été recherchée sous la forme d'un minimum
d'interactions avec les tissus avoisinants ou de réactions de ces derniers. C'est généralement ce
qui est recherché pour les systèmes prothétiques à usage de remplacement définitif.
Des nouvelles stratégies font actuellement l'objet de prospections importantes. Elles
reposent toutes sur de plus fortes interactions entre la matière artificielle (alliages,
céramiques, polymères, assemblages moléculaires) et les milieux vivants (molécules, tissus,
cellules, organes) et visent une intégration dans (ou un remplacement) par les tissus naturels.
Ces stratégies chirurgicales et/ou pharmacologiques reposent en général sur l'aptitude d'un
organisme vivant à s'auto réparer. Il y a là un champ d'investigations gigantesque d'où
viendront très probablement les innovations thérapeutiques du futur. Que les systèmes soient
artificiels, naturels modifiés ou hybrides, la notion de "biocompatibilité", ou plutôt
d'acceptabilité, sera au coeur des progrès car tout est relatif et ce sont les organismes vivants
qui réagissent à leur guise, le thérapeute ne faisant qu'apprécier les résultats.
6
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Il ne peut sans doute pas exister une définition totalement satisfaisante des
biomatériaux. On peut retenir la définition suivante : "matériaux non vivants utilisés dans un
dispositif médical destiné à interagir avec les systèmes biologiques".
Au-delà de toute définition formelle, la notion de biomatériaux est entièrement contenue dans
le nécessaire pris en compte du contact de ces matériaux avec des tissus ou fluides vivants.
Cet aspect de contact, qui est évident dans le cas d'implants, doit être étendu aux
contacts qui se réalisent à la surface ou à l'extérieur du corps comme, par exemple, ceux qui
se produisent avec le sang dans l'hémodialyse, ou avec la cornée dans les lentil les de contact.
A la limite, elle devrait même être étendue aux produits de diagnostic (microplaques, support
de culture, ...) et aux matériaux pour biotechnologies, qui sont en contact avec des cellules
vivantes. En relation directe avec l'aspect contact, la notion de biocompatibilité est essentielle
dans le domaine des biomatériaux. Soit, classiquement, biocompatibilité "négative", définie
par les propriétés que le matériau ne doit pas avoir (pas de réaction inflammatoire, pas de
toxicité, ...), soit, à la suite d'une évolution plus récente, biocompatibilité élargie (et si
possible mesurable), définie comme "la capacité d'un matériau à être utilisé avec une réponse
de l'hôte appropriée dans une application spécifique". Cette biocompatibilité "élargie"
débouche sur la notion très actuelle de "bio activité", par laquelle l'on souhaite que le matériau
ne soit pas nécessairement le plus inerte possible, mais au contraire fasse réagir le tissu vivant.
C'est par exemple le cas pour les sutures résorbables, dans lesquelles la réaction
inflammatoire participe justement à la résorption ou encore les matériaux ostéoconducteurs
qui facilitent la croissance osseuse.
Il faut également prendre en compte la durée du contact avec les tissus vivants, même
si cette durée peut varier beaucoup suivant les cas. Pour que l'on puisse parler de
biomatériaux, on admet généralement que le contact avec le vivant doit dépasser quelques
heures. Ce paramètre de durée permet d'exclure les produits pharmaceutiques du champ des
biomatériaux, mais laisse encore la place à certaines interprétations multiformes
I.1.1 Les champs d'application des biomatériaux :
Ce paragraphe rassemble un échantillonnage significatif des domaines médicaux où
l'usage des biomatériaux s'est révélé pertinent. Pour chaque domaine, les types de produits
nécessaires sont désignés.
I.1.1.1 Ophtalmologie :

Lentilles (souvent exclues du domaine pour cause de brièveté du contact) implants

coussinets de récupération

produits visqueux de chambre postérieure
7
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
I.1.1.2 Odontologie - Stomatologie:

matériaux de restauration et comblement dentaire et osseux

traitements prophylactiques

orthodontie

traitement du parodonte et de la pulpe

implants

reconstruction maxillo-faciale
I.1.1.3 Chirurgie Orthopédique:

prothèses articulaires (hanche, coude, genou, poignet,...)

orthèses

ligaments et tendons artificiels

cartilage

remplacement osseux pour tumeur ou traumatisme

chirurgie du rachis

réparation de fractures (vis, plaques, clous, broches)

matériaux de comblement osseux injectable
I.1.1.4 Cardiovasculaire:

valves cardiaques

matériel pour circulation extracorporelle (oxygénateurs, tubulures, pompes...)

coeur artificiel

assistance ventriculaire

stimulateurs cardiaques

prothèses vasculaires

matériels pour angioplastie liminale coronarienne et stents

cathéters endoveineux
I.1.1.5 Urologie/Néphrologie:

dialyseurs

poches, cathéters et tubulures pour dialyse péritonéale

rein artificiel portable

prothèses de pénis

matériaux pour traitement de l'incontinence
I.1.2 Les directions de recherche :
On peut, pour simplifier, distinguer la recherche médicale appliquée ou clinique, dans
laquelle les médecins praticiens des hôpitaux sont fortement impliqués (développement et
8
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
mise en oeuvre de prothèses, d'organes artificiels, etc.), des recherches fondamentales
concernant la biocompatibilité des matériaux, qui sont le fait d'équipes beaucoup plus
spécialisées et moins nombreuses. La confusion de langage qui fait utiliser le terme
"biomatériau" pour désigner tantôt le matériel et tantôt le matériau ne doit pas conduire à
assimiler les recherches sur les matériaux à l'ensemble des recherches sur les matériels, qui
comprennent aussi des sujets portant sur l'électronique, la forme des prothèses,
l'hospitalisation, les techniques chirurgicales, etc.
Sur le plan des matériaux eux-mêmes, les principaux thèmes de recherche fondamentale
touchent à :
- l'étude des réactions induites au niveau de l'interface système vivant-matériau.
Ces études portent à la fois sur les modifications des matériaux et sur les réactions de
l'organisme ;
- la création de matériaux possédant un couple de propriétés bio fonctionnelle /
biocompatibilité meilleur. Pour chaque utilisation, ces contraintes sont différentes et
impliquent donc des recherches spécifiques.
Reproduire les caractéristiques fonctionnelles du tissu à remplacer est un "challenge" encore
incomplètement maîtrisé, quel que soit le matériau.
Ces recherches fondamentales ont des répercussions pratiques sur les techniques et protocoles
d'évaluation, pour lesquels des recherches spécifiques ont trait au choix des sites
d'implantation, au choix de la géométrie des implants et de leur état de surface, à la possibilité
d'extrapoler les modèles animaux ou cellulaires, etc.
Les domaines de la chirurgie cardiovasculaire et de la chirurgie orthopédique constituent sans
doute, par leurs importances, deux exemples à étudier plus particulièrement.
Le domaine cardiovasculaire est marqué essentiellement par le problème de
l'hémocompatibilité, c'est-à-dire de la compatibilité du matériau avec ce tissu vivant
particulier qu'est le sang.
L'hémocompatibilité porte en priorité sur le problème de la coagulation du sang en présence
de corps étrangers et les risques de thrombose liés à cette coagulation, problème que l'on sait
étudier mais malheureusement pas encore traiter de façon satisfaisante. En réalité, l'étude de
l'hémocompatibilité est complexe et ne se limite pas à celle de la coagulation. Elle inclut
également celle de la réponse du système immunitaire (anticorps, système du complément,
...), et celle de la réaction des cellules et tissus, et notamment des lymphocytes et leucocytes
présents dans le sang.
9
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Le problème d'évaluation de l'hémocompatibilité des matériaux est aussi de trouver un
critère de mesure objectif de cette caractéristique : thrombogénicité, propriété activatrice du
complément, etc.
Dans le cas des biomatériaux pour chirurgie orthopédique, on trouve trois grands domaines de
recherches complémentaires qui sont :
*les études de l'interface os/biomatériau, soit in vitro (biocompatibilité à l'interface
ostéoblaste/matériau ou moelle/matériau, étude des modifications de l'état de surface du
matériau, bio-intégration et physiopathologie des cellules osseuses dans le matériau, ...), soit
in vivo (étude de l'accrochage des biomatériaux à l'os, des caractéristiques viscoélastiques du
tissu au contact des matériaux, de la membrane fibreuse qui se crée autour des biomatériaux,
etc.);
*la biomécanique cellulaire, notamment l'étude des réactions de cellules endothéliales à des
contraintes de cisaillement et des réactions de cellules osseuses à des contraintes contrôlées
hydrodynamiques ou de cisaillement, la modélisation des réactions en tenant compte de la
déformation du cytosquelette ou encore l'étude de la biologie de l'inflammation en pr ésence
de biomatériaux.
I.2 Les matériaux à vocation de biomatériaux:
On peut dire que quatre grandes catégories de biomatériaux peuvent être envisagées :

les métaux et alliages métalliques,

les céramiques au sens large,

les polymères et la matière "molle",

les matériaux d'origine naturelle.
I.2.1 Les métaux et alliages métalliques:
Ce sont en quelque sorte les "ancêtres" des biomatériaux puisque ce sont les premiers
à avoir été utilisés pour faire des implants.
Le plus important par les volumes est sans doute l'acier inoxydable, encore largement utilisé
en chirurgie orthopédique. L'intérêt de l'acier inoxydable dans ce domaine réside dans ses
propriétés mécaniques.
Il faut également mentionner particulièrement le titane, qui est utilisé principalement e n
chirurgie orthopédique et pour réaliser des implants dentaires. On le trouve également dans
les stimulateurs cardiaques et les pompes implantables. L'un des avantages principaux du
titane est sa bonne biocompatibilité : l'os adhère spontanément au titane. Les alliages à
mémoire de forme sont une variante intéressante de cette catégorie. On utilise également des
alliages cobalt, chrome, molybdène, du tantale, etc.
10
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Les principaux problèmes mal résolus avec les métaux et alliages métalliques sont les
suivants :

On peut dans nos mesures évaluer la perte de masse (électrochimie)

corrosion électrochimique et durabilité,

mécanismes de dégradation non électrochimiques incluant les interactions

protéine/métal,

réactions immunitaires et d'hypersensibilité,

adaptation des propriétés mécaniques,

propriétés de frottements et problèmes de débris.
I.2.2 Les céramiques :
Les céramiques se caractérisent par une température de fusion élevée et un
comportement fragile, qui déterminent leurs domaines d'application.
Elles incluent des oxydes, des sulfures, des borures, des nitrures, des carbures, des composés
intermétalliques, ...
On peut ajouter à cette catégorie de matériaux, bien qu'ils s'en distinguent par maints
aspects, les verres au phosphate, ou bio verres de Hench, qui assurent un accrochage de type
quasi chimique avec le tissu osseux.
Les principaux problèmes mal résolus avec les céramiques sont :

les mécanismes de dégradation,

la durabilité,

la résistance à la fracture

l'activité de surface,

l'adhésion des protéines ou des cellules en surface.

Avec les céramiques bio résorbables, les problèmes sont :

la mesure et le contrôle de la bio résorption et l'effet sur le tissu local,

la calcification,

la connaissance des effets des enzymes sur la dégradation,

les effets de la stérilisation sur la biorésorbabilité,

les effets sur la cicatrisation et la formation de l'os.
11
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
I.2.3 Les polymères et autres matières molles :
Les utilisations des polymères dans le domaine des biomatériaux sont extrêmement
nombreuses. On fournit un résumé probablement pas exhaustif. Les deux grandes tendances
de l'usage des polymères concernent :
I.2.3.1 : La recherche de polymères fonctionnels : c'est-à-dire susceptibles d'avoir une
fonction chimique particulière à l'interface matériau-tissu vivant, à savoir par exemple la
capacité d'interaction avec les ostéoblastes (et/ou les fibroblastes) qui favorise la repousse
osseuse ou ligamentaire. Ceci est envisagé par la fixation sur le polymère de groupements
ionisés tels que ortho phosphate, carbonate, carboxylate, etc. La "fonctionnalité" peut
notamment être obtenue par la modification de l'état de surface du polymère par implantation
ionique ou par greffage de substances fonctionnelles.
I.2.3.2 : La recherche de polymères résorbables : tels que les copolymères d'acide lactique
et d'acide glycolique qui sont utilisables en chirurgie orthopédique traumatologique, ou les
poly anhydrides et/ou poly aminoacides qui sont utilisés dans les formes retard de
médicaments.
Les principaux problèmes mal résolus avec les polymères actuellement mis en oeuvre
ne concernent pas que la biocompatibilité à l'interface matériau- tissu. Pour les polymères non
résorbables on peut citer :

instabilité au rayonnement gamma,

réactivité à certains types de médicaments,

stabilité hydrolytique,

calcification,

manque de base de données pour évaluer les propriétés de surface,les réactions de
biocompatibilité, la mutagénicité / carcinogénicité, etc.

manque de standards.
Pour les polymères bio résorbables on a de même :

manque de mesures de dégradation et de bio résorption,

effets biologiques des produits de dégradation,

effets des enzymes sur la dégradabilité,

effets sur la cicatrisation,

remplacement des tissus naturels.
Pour les polymères bio stables, également :

stabilisation biologique,

vieillissements physique et chimique,
12
Chapitre I:

Recherches Bibliographiques
effet de la stérilisation.
Ou encore pour les systèmes macromoléculaires actifs :

interactions avec les éléments vivants (macromolécules, cellules, organes,...),

devenir en cas d'utilisation limitée dans le temps,

effets biologiques positifs ou négatifs.
Et enfin, pour les matériaux de libération contrôlée de principes actifs :

matrices polymères ou minérales ou mixtes,

devenir des parties matériaux,

mise en évidence des propriétés biologiques spécifiques.
I.3 Les matériaux d'origine naturelle :
Le souci de biocompatibilité des implants a orienté les chercheurs vers des matériaux
logiquement biocompatibles puisque d'origine naturelle.
Outre les tissus biologiques retraités (valves porcines, carotide de boeuf, veine ombilicale,...),
le sulfate de chondroitine et l'acide hyaluronique, on trouve parmi ceux-ci :

les greffes en général (autogreffes, allogreffes, hétérogreffes) ;

la chitine, polysaccharide extrait des coquilles de crabe, qui est susceptible d'applicati on
pour les fils de suture, la chirurgie reconstructive et la peau artificielle ;

les fucanes, polysaccharides extraits des algues marines (anticoagulants -
anticomplémentaires, etc...) ;

les dextranes et autres polysaccharides fonctionnalisés (le dextrane est préparé par
transformation de saccharose par des bactéries) ;

la cellulose, traditionnellement utilisée pour les membranes de dialyse, mais dont
d'autres applications sont à l'étude, notamment comme ciment de prothèse de hanche ;

le corail, qui pourrait être utilisé en chirurgie orthopédique et/ou maxillo-faciale,
grâce à la possibilité de recolonisation de ce matériau par les cellules osseuses ;

le collagène, d'origine animale (extrait de la peau) ou humaine (extrait du placenta
humain) et dont les applications existantes ou envisageables sont très nombreuses :

cosmétologie et chirurgie esthétique,

pansements et éponges hémostatiques,

implants oculaires et pansements ophtalmologiques,

reconstitution de tissus mous et durs à l'aide de mélanges collagène-facteurs

de croissance-hydroxyapatite,

peau artificielle (derme).
L'avantage du collagène réside dans le fait que :
13
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques

c'est un produit hémostatique,

il a certaines propriétés mécaniques qui permettent de le manipuler,

il est indispensable au développement cellulaire,

il est biodégradable.
I.4 Les besoins de connaissance en amont des biomatériaux :
Les besoins de connaissance, situés en amont de ces problèmes mal ou non résolus et relevant
de la science des matériaux sont extrêmement nombreux et variés. Ils peuvent être regroupés
selon deux grands thèmes :
 Problèmes physicochimiques des biomatériaux,
 Problèmes touchant à leurs biocompatibilité et bio fonctionnalité.
I.4.1 Conception de biomatériaux, propriétés physicochimiques
Conception microstructurale de composites dont les propriétés sont compatibles avec celles
des contraintes biochimiques du milieu naturel d'implantation.
Adaptation moléculaire de la composition et des surfaces des matériaux pour répondre aux
contraintes biochimiques et biomécaniques, réactions cellulaires ou tissulaires au contact.
- Recherches de matériaux pour revêtement "multifonctions" :
• adhésion
• dureté
• frottement
• conductivité
• réactivité chimique
• mouillabilité
- Traitements de surface :
- Mécanique des contacts :
- Propriétés mécaniques des films minces et multicouches :
- Fractures des solides et de la matière molle :
- Milieux poreux, fissurés et confinés :
I.4.2 Biocompatibilité et Biofonctionnalité :
- Conséquences de la stérilisation :
• Intégrité du biomatériau
• Bio résorbabilité
• Agents pharmacologiques incorporés
- Stabilité hydrolytique et enzymatique
- Effets cytotoxiques :
14
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
• cytocompatibilité générale (adhésion, viabilité, prolifération...)
• cytocompatibilité spécifique (expression du phénotype...)
- Qualité de la réparation tissulaire
- Effet sur les tissus environnants
- Performances fonctionnelles à long terme
Dans une première approche de cette vaste thématique, un programme de recherches
sur les matériaux biocompatibles devrait sans doute se limiter à un nombre restreint
d'objectifs généraux tels que :
- les problèmes d'adhésion et les propriétés mécaniques des matériaux biocompatibles,
- biocompatibilité et bio fonctionnalité
I.5
Acier inoxydable [2]:
Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie
quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie, transports, médecine et chirurgie,
etc. Comme les autres aciers, ce sont des alliages de fer et de carbone au quels on vient
ajouter du chrome et d'autres éléments, notamment le nickel, mais aussi parfois le molybdène
et le vanadium, afin d'améliorer la résistance à la corrosion.
I.5.1 Composition des aciers inoxydables:
Pour être classé dans la catégorie inoxydable, un acier doit contenir au moins 11% de chrome.
Les plus courants:
X 2 Cr Ni 18-10 (304L) : C : 0,02 %, Cr : 17 à 19 %, Ni : 5 à 9 %, utilisés en
chaudronnerie toutes qualités.
X 2 Cr Ni Mo 17-12 (316L) : C : 0,02 %, Cr : 16-18 %, Ni : 11-13 %, Mo
(molybdène) : 2 %, utilisés dans les industries chimiques, pharmaceutique, pétrolières,
agro-alimentaires...et aussi intensément en milieu nautique.
X 8 Cr 17 (430) : C : 0,08 %, Cr : 16-18 %, utilisés pour les articles de ménage,
l'électroménager, les éviers.
X 6 Cr Ti 12 (409) : C : 0,06 %, Cr : 11-13 %, Ti (titane), utilisé dans les échappements
automobiles, fourneaux etc...
(Analyse Chimique en % pondéral) La plupart des aciers inoxydables utilisés sont conformes
à des normes :
15
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Européennes (Norme EN 10088 en particulier)
Américaines (Normes de l'AISI)
Les normes d'autres pays existent également mais sont peu connues internationalement.
I.5.2 Les éléments d’addition
I.5.2.1 Le chrome:
Les aciers inoxydables sont des alliages fer-chrome ou plus exactement acier-chrome c'est-àdire fer-carbone-chrome. Conformément à la norme européenne EN 10088-1, un acier est
classé acier inoxydable s’il contient au minimum 12 % en masse de chrome et moins de 2 %
de carbone.
C’est le chrome qui donne aux aciers inoxydables leur résistance à la corrosion.
I.5.2. 2 Le carbone :
La teneur en carbone est limitée à un maximum de 1,2 % en masse afin d’éviter la formation
de carbures (notamment de carbures de chrome, qui est un composé très stable mais qui
n'empèche pas l'oxydation du Fer) qui sont préjudiciables au matériau. Par exemple, le
carbure M23C6 qui peut apparaître dans l'austénite 18-9 a un effet négatif vis-à-vis de la
corrosion intergranulaire.
I.5.3 Autres éléments :
Le nickel favorise la formation de structures homogènes de type austénitique,
intéressantes pour éviter la corrosion mais à éviter soigneusement dans le domaine du
frottement.
Le manganèse est un substitut du nickel. Certaines séries d’alliages austénitiques ont
été développées, permettant de faire face aux incertitudes d’approvisionnement du nickel.
Le molybdène et le cuivre améliorent la tenue dans la plupart des milieux corrosifs,
en particulier ceux qui sont acides, mais aussi dans les solutions phosphoriques, soufrées, etc.
Le molybdène accroît la stabilité des films de passivation.
Le tungstène améliore la tenue aux températures élevées des aciers inoxydables
austénitiques.
Le titane doit être utilisé à une teneur qui dépasse le quadruple de la teneur en
carbone. Il évite l'altération des structures métallurgiques lors du travail à chaud, en
particulier lors des travaux de soudure.
16
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Le silicium joue également un rôle dans la résistance à l’oxydation, notamment vis à
vis des acides fortement oxydants (acide nitrique concentré ou acide sulfurique concentré
chaud).
I.5.4 Types d'aciers inoxydables [3]:
Les aciers au chrome sont ferritiques et magnétiques à l'état adouci. Certains se
comportent comme des aciers spéciaux autotrempants, d'autres ne se trempent que
partiellement ou pas du tout. Les aciers au nickel-chrome sont en général austénitiques et le
traitement d'hypertrempe, loin de les durcir, a au contraire la propriété de les adoucir. Il existe
d'innombrables nuances appropriées aux usages les plus divers.
En ce qui concerne l'usage, on distingue les aciers martensitiques, ferritiques et austénitiques.
Les aciers martensitiques sont utilisés lorsque les caractéristiques de résistance
mécanique sont importantes. Les plus courants titrent 13 % de chrome avec au moins 0,08 %
de carbone. D'autres nuances sont plus chargées en additions, avec éventuellement un faible
pourcentage de nickel.
Les aciers ferritiques ne prennent pas la trempe. On trouve dans cette catégorie des
aciers réfractaires à haute teneur en chrome (jusqu'à 27 %), particulièrement intéressants en
présence de soufre.
Les aciers austénitiques sont de loin les plus nombreux, en raison de leur résistance
chimique très élevée, de leur ductilité comparable à celle du cuivre ou du laiton, et aussi de
leurs bonnes caractéristiques mécaniques élevées. Les teneurs en éléments d'addition tournent
autour de 18 % de chrome et 10 % de nickel. La teneur en carbone est très basse et la stabilité
améliorée par des éléments tels que le titane ou le niobium.
Les aciers austéno-ferritiques ont des propriétés intermédiaires entre les deux
précédentes catégories et parmi eux se trouvent des alliages particulièrement aptes à la
soudure et d'autres très résistants à la corrosion inter granulaire.
La connaissance des types d'acier est essentielle pour les systèmes constitués d'éléments
assemblés mécaniquement ou par soudage, la mise en présence de deux aciers inoxydables
trop différents dans un électrolyte peut en effet provoquer des phénomènes de corrosion
électrochimique très destructeurs.
17
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
I.6 L'acier inoxydable de type 316L:
L'acier inoxydable de type 316L est un acier austénitique composé de molybdène. Il
est plus résistant à la corrosion générale et par piqûre que les aciers conventionnels nickelchrome tels que les 302-304.
 Haute résistance au fluage
 Excellente formabilité
 Résistance à la traction et la rupture à hautes températures
 Résistance à la corrosion et la corrosion par piqûre
Les formes varient en fonction de l'application industrielle, par exemple les couverts, les
instruments chirurgicaux, les équipements industriels, les matériaux de construction de gratteciel et les grands bâtiments.
Par exemple, les cylindres d'acier inoxydable et les réservoirs fabriqués en acier inoxydable
de type 316 sont avérés offrir une résistance exceptionnelle dans les secteurs d'eau acide et
dure.
I.6.1 Applications:
- Produits chimiques et industrie pharmaceutique
- Outils chirurgicaux et médicaux
- Lessiveurs d'industrie du papier, équipement d'évaporation et de manutention
- Equipement de raffinage de pétrole
- Equipement de l'industrie textile
- Epurateurs pour le contrôle de l'environnement
- Canalisations, tuyaux d'alimentation d'eau, filtres d'eau d'égout
- Tuyaux d'échange de chaleur, générateurs d'ozone
Il y a beaucoup de procédés industriels qui exigent un plus haut niveau de résistance à la
corrosion
tel
que
l'acier
de
type
304
I.6.2 Eléments chimiques en % par poids
Fe
Cr
Ni
Mo
Mn
N
62.045-72%
16-18%
10-14%
2-3%
2%
0.1%
18
mais
surtout,
celui
du
type
316.
Chapitre I:
S
C
Si
P
Recherches Bibliographiques
0.03%
0.03%
0.75%
0.045%
I.6.2.1 Les propriétés:
Densité
Propriétés mécaniques
Dureté,Rockwell B
Résistance à la traction
Finale
Résistance à la traction
rendement
Allongement à la rupture
Module d'élasticité
Module d'élasticité
Propriétés électriques
Résistivité électrique
Permanence magnétique
Propriétés thermiques
CTE, linéaire 20°c
CTE, linéaire 20°c
Capacité thermique
Conductivité thermique
Conductivité thermique
Propriétés de procédé
Température de mélange
7.99 g/cc
79
558 Mpa
290Mpa
50%
193 Gpa
77 Gpa
0.2% YS
à 2 pouces
tension
torsion
7.40E-05 ohm- cm
Max 1.02
H=200 oersteds, Recuit
16 µm/m- °c
19.9 µm/m- °c
0.5 J/g -°c
16.2 w/m-K
21.4w/m-K
0 à 100°c
à 871°c
0 à 100°c
100°c
500°c
1371 - 1399°c
I. 7 le titane [4]:
Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique
22.
C'est un métal de transition léger, résistant, d'un aspect blanc métallique, qui résiste à
la corrosion. Le titane est principalement utilisé dans les alliages légers et résistants, et son
oxyde est utilisé comme pigment blanc. On trouve cet élément dans de nombreux minerais
mais ses principales sources sont le rutile et l'ilménite. Il appartient au groupe des Titane avec
le Zirconium (Zr), Hafnium (Hf) et Rutherfordium (Rf).
I. 7.1 Propriétés Physiques [5] :
1.7.1.1 : Propriétés Physique de base :
Caractéristiques physiques remarquables du titane :

Sa masse volumique est environ 60 % de celle de l’acier.
19
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques

Sa tenue à la corrosion est exceptionnelle dans de nombreux milieux tels que l’eau de
mer ou l’organisme humain.

Ses caractéristiques mécaniques restent élevées jusqu’à une température d’environ
600°C et restent excellentes jusqu’aux températures cryogéniques.

Sa transformation en demi-produits et en pièces de formes différentes par les
techniques usuelles (formage, emboutissage, filage, coulée, soudage, usinage, etc.) est
raisonnablement aisée.

Il est disponible sous des formes et des types de produits très variés : lingots, billettes,
barres, fils, tubes, brames, tôles, feuillard.

Il est non magnétisable.

Son coefficient de dilatation, légèrement inférieur à celui de l’acier, est moitié moins
que celui de l’aluminium. On prendra pour valeur moyenne un coefficient de dilatation
de 10,5 ×10-6 K-1.

Son module de Young est très proche de celui des structures osseuses.
I.7.1.2 Biocompatibilité :
Le titane est l’un des métaux les plus biocompatibles, avec l’or et le platine, c’est-àdire qu’il résiste totalement aux fluides corporels. De plus, il possède une haute résistance
mécanique et un module d’élasticité très bas, ce qui le rend compatible avec les structures
osseuses. Le Centre International de Recherche sur le Cancer (CIRC) a classé le dioxyde de
titane dans le groupe 2B « susceptible d’être cancérigène pour l’humain ».
I.7.2 Propriétés Chimiques [6] :
I.7.2.1 Corrosion classique du titane :
Le titane est un métal extrêmement inoxydable. Dans la série des potentiels
électrochimiques standards, il se place au voisinage de l’aluminium, entre le magnésium et le
zinc. Il n’est donc pas un métal noble, son domaine de stabilité thermodynamique ne présente,
en effet, aucune partie commune avec le domaine de stabilité thermodynamique de l’eau et est
situé fortement au-dessous de ce dernier. L’une des causes de la résistance à la corrosion du
titane est le développement d’une couche protectrice passivant de quelq ues fractions de
micromètre, constituée majoritairement d’oxyde TiO2, mais il est reconnu qu’elle peut
contenir d’autres variétés. Cette couche est intègre et très adhérente. En cas de rayure de la
20
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
surface, l’oxyde se reforme spontanément en présence d’air ou d’eau. Il y a donc inaltérabilité
du titane dans l’air, l’eau et l’eau de mer. De plus, cette couche est stable sur une large gamme
de pH, de potentiel et de température.
Des conditions très réductrices, ou des environnements très oxydants, ou encore la
présence d’ions fluor (agent complexant), diminuent le caractère protecteur de cette couche
d’oxyde ; les réactifs d’attaque pour relever les micrographies sont le plus souvent à base
d’acide fluorhydrique. Lors d’une réaction par cet acide, il y a formation de cation titane (II)
et (III). La réactivité des solutions acides peut néanmoins être réduite par l’adjonction
d’agents oxydants et/ou d’ions lourds métalliques. L’acide chromique ou nitrique et les sels
de fer, nickel, cuivre ou chrome sont alors d’excellents agents inhibiteurs. Cela explique
pourquoi le titane peut être utilisé dans des procédés industriels et des environnements où les
matériaux conventionnels se corroderaient. On peut bien e ntendu modifier les équilibres
électrochimiques par adjonction d’éléments d’addition qui réduisent l’activité anodique du
titane ; cela conduit à améliorer la tenue à la corrosion. Selon les desiderata de modifications,
on ajoute des éléments spécifiques. Une liste non exhaustive de quelques adjuvants classiques
est reprise ci-dessous :

déplacement du potentiel de corrosion et renforcement du caractère de cathode :
adjonction de platine, palladium ou rhodium ;

accroissement de la stabilité thermodynamique et réduction de la propension à la
dissolution anodique : adjonction de nickel, molybdène ou tungstène ;

augmentation de la tendance à la passivation : adjonction de zirconium, tantale,
chrome ou molybdène.
Ces trois méthodes peuvent être combinées.
I.7.2.2 Corrosion spécifique du titane:
Le titane est très peu sensible aux modes particuliers de corrosion tels que la corrosion
caverneuse ou la corrosion par piqûre. Ces phénomènes ne sont observés qu’en cas
d’utilisation dans un domaine proche d’une limite pratique de tenue à la corrosion générale.
Les risques de corrosion sous contrainte apparaissent dans les conditions suivantes :

à froid dans l’eau de mer (en présence d’entailles aiguës seulement) ;

dans certains milieux particuliers tels que le méthanol anhydre ;

à chaud, en présence de NaCl fondu.
21
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Les deux structures allotropiques se distinguent au niveau de la résistance à ce dernier type de
corrosion ; le titane α y est fort sensible alors que le β quasiment pas.
I.7.2.3 Industrie chimique :
Le secteur de la chimie au sens large correspond à la seconde utilisation historique du
titane.
On trouve des tubes en titane dans de nombreux condenseurs, où sa résistance à la corrosion
et à l’abrasion permet des durées de vie élevées.
I.7.2.4 Secteur biomédical :
On dispose actuellement d’un retour d’expérience d’une petite trentaine d’années
d’utilisation dans le domaine médical. Son emploi s’est développé en raison de son caractèr e
biocompatible. En effet, l'os adhère spontanément au titane ce qui en fait un matériau
privilégié pour la réalisation de prothèses. En plus de cet aspect biocompatible, le titane est
mécano compatible. Le titane a aussi fait une percée importante dans le domaine de
l’odontologie où il sert d’implant dans l'os pour les supports de prothèses ainsi que pour la
confection d'infrastructures prothétiques appelées chapes dans le jargon du chirurgien
dentiste.
Toutefois, des études récentes mettent un bémol à la biocompatibilité du titane que
l'on pensait jusque-là totale. Des études récentes font état d'une toxicité cellulaire du titane
responsable dans certains cas d'une ostéolyse aseptique conduisant à la perte de la prothèse
orthopédique. En bouche, le titane réagit au contact de la salive, en particulier quand d'autres
métaux (alliages, amalgames) coexistent. En outre une part faible de la population (4%) y
serait allergique.
Il faut enfin signaler l’apparition d’outillage en titane pour la chirurgie, comme les
forets creux refroidis à l’eau. À l’inverse de l’acier, tout débris d’outil en titane pouvant rester
dans le corps n’occasionnera pas d’infection postopératoire, du fait de sa biocompatibilité.
Enfin, le titane rentre dans la composition des bobines supraconductrices des appareils IRM
en association avec un autre métal de transition : le niobium.
22
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
I.8 Les essais de corrosion des biomatériaux [7]:
Pour qu'un matériau soit considéré comme un biomatériau, il faut qu'il puisse répondre
à un ensemble de critères d'appréciations concernant ses interactions avec l'environnement où
il se trouve .Il doit répondre aux règles générales des biomatériaux:
 Ne pas modifier l'environnement
 Ne pas être modifié par l'environnement,
 Etre chimiquement inerte,
 Ne pas déclencher de réactions inflammatoires,
 Ne pas être carcinologique,
 Supporter les contraintes mécaniques,
 Etre d'une manipulation aisée, tant pour sa"mise en œuvre" que pour son application
clinique.
Ainsi pourra-t-on éviter les conséquences biologiques négatives, transitoires ou définitives,
immédiates ou différées, locales ou générales du biomatériau.
Les phénomènes électrochimiques et, par voie de conséquence, les essais de corrosion,
ne concernent pas tous les critères précédents.
Nous aborderons,après une présentation de l'ensemble des matériaux utilisables chez
l'homme ,successivement,les biomatériaux métalliques ,les milieux naturels dans lesquels ils
vont séjourner les méthodes d'étude en laboratoire avec des milieux artificiels
correspondants ,une illustration par quelques cas cliniques et les recommandations que nous
pouvons en tirer ,en particulier sur les limites des essais en laboratoire ;en dernier lieu , nous
présenterons succinctement les biomatériaux non métalliques moins ou pas du tout
concernés par les problèmes de corrosion électrochimique .
Le tableau( 1 ) illustre la grand variété de matériaux minéraux ou organiques susceptibles
d'être utilisés en tant que "biomatériaux".les matériaux métalliques ,susceptibles de se
corroder ,concernent l'orthopédie chytridiales (acier inoxydable X2CrNiMo17-122(AISI316L),alliages de cobalt-chrome;alliage de titane )et surtout l'odontologie (alliage
palladiés ,alliages Ni-Cr, alliages de titane )pour les alliages utilisés pour les restaurations ,
les prothèses ,l'orthodontie ,l'implantologie.
23
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Tableau 1 – Classification des biomatériaux (d'après D.Muster [8]).
I.9 Les milieux [9] :
1.9.1 Milieux naturels :
Les milieux "naturels" sont évidemment les mieux à même de reproduire les
phénomènes de dégradation des biomatériaux lors de l'essais en laboratoire. Cependant
chacun d'eux à sa propre spécificité et leur utilisation pour des essais de longue durée est
souvent délicate, voir impossible.
Par exemple, parmi les sels qu'il contiennent, la teneur en NaCl est très variable : dans le
"plasma sanguin" elle est constante à 0.9% (pds) alors que dans la salive NaCl varie .En effet,
la salive diffère d'une façon importante entre un sujet sain et un sujet malade avec l'influence
des prise de médicaments .Rappelons qu'elle est constituée de 99.5% d'eau ; le reste concerne
différents sels et des protéines diverses.
Les caractéristiques physicochimiques sont précisées par la viscosité, la masse volumique, la
pression osmotique, la tension superficielle, le pouvoir oxydant, la conductibilité et le pH. Ces
trois derniers paramètres conditionnent en particulier le comportement à la corrosion des
biomatériaux métalliques.
Les principaux constituants des milieux naturels sont:

Constituants minéraux:
24
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Cations: calcium Ca ++, sodium Na+, potassium K+ ,magnésium Mg++ et autres ions (Cu
,Mn ,Zn, Co,…)
Anion: chlorure Cl - , biocarbonate HCO 3- , thiocyanates SCN - , phosphatesHPO 43- ,fluor
F- et autres anions ( à l'état de traces :iodures,bromures,nitrites);

Gaz dissous:
Oxygène, azote, anhydride carbonique,…

Constituants organiques:
Protéines (des glycoprotéines aux enzymes), lipides et autres molécules (acides aminés,
glucides, vitamines).
Certains états pathologiques ou physiologiques tels que l'hypertension ,le diabète , la
cirrhose alcoolique,la grossesse ,les radiations ,les caries dentaires…sans oublier
l'absorption de médicaments divers sont autant d'exemples conduisant à des modifications
de composition des milieux naturels.
I.9.2 Milieux artificiels :
Certaines solutions simples ont été, et sont encore, proposées et utilisées pour des
essais préliminaires. Incomplètes, elles conduisent, malheureusement à des conclusions
qualitatives parfois erronées.
Les
solutions physiologiques dont les constituants sont "ajustés"pour se rapprocher des
teneurs des milieux réels sont naturellement préférables .Le plasma synthétique conseillé par
l'AFNOR en est une, qui se rapproche du liquide de Earle. Sa composition est rappelée dans
le tableau 2 .Le pH est ramenée à 7.4 avant l'essai de corrosion.
Tableau 2 – composition du plasma synthétique (d'après S.Mihman [10]).
L'adjonction d'albumine 60 g/l, de fibrinogène 3 g/l, de transferrine 3 g/l est jugée souhaitable
pour une meilleure approximation des conditions locales in vivo.
En ce qui concerne la "salive", les auteurs, autour des années 70 surtout, ont été nombreux à
proposer diverses solutions (tableau 3).
Gatelier et Pham ont pu comparer l'action de ces différentes salives artificielles sur les
alliages dentaires ; ainsi :
 La solution de Carter et Ross, reprise et légèrement transformée par Brugirard et
l'AFNOR, plus acide, est préférable pour les alliages non précieux (à base Ni, Cr…);
25
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
 La solution de Fusayama, reprise et transformée par Meyer, convient mieux ,en raison de
l'association des anions S2- et Cl- pour les alliages précieux et semi – précieux ( à base
d'Au ,Pt ,Pd ,Ag ,Cu …).
Par ailleurs, des conditions particulières sont nécessaires pour se rapproches le plus possible
des conditions naturelles, par exemple :
 Température comprise entre 35 et 37 °,
 Renouvellement constant du milieu,
 Aération et agitation bien contrôlées.
Toutefois certains constituants (protéines, micro-organismes) ne pourront pas toujours être
utilisés, compte tenu de leur dégradation souvent très rapide en milieu synthétique.
Tableau 3– composition d'électrolytes synthétiques utilisés comme salive artificielle par divers auteurs .les quantités
de sels sont données en grammes par litre de solution (d'après J. Brugirard, J.M. Meyer ,L. Reclaru [11,12,13]).
I.10 La corrosion [14]:
I.10.1 Principes de base de la corrosion métallique :
La corrosion est la "Destruction progressive, lente désagrégation, effritement d’une
substance, d’une surface par effet chimique".
Pour les biomatériaux métalliques, la forme la plus pertinente est la corrosion aqueuse, telle
qu’elle se produit à la surface d’un métal plongé dans un électrolyte aqueux
Il se produit toujours deux réactions: une réaction anodique (oxydation du métal, avec perte
d’électrons):
M  M
( n)
 n ( électrons
)
et une réaction cathodique, dans laquelle les ions créés par l’oxydation sont consommés
(réduction). La nature exacte de la réaction cathodique dépend du milieu, comme par
exemple:
26
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Réduction de l’hydrogène:
2H

 2e

 H2
et réduction de l’oxygène dissous:
O  4 H   4e   2 H O
2
2
En milieu acide
O  2 H O  4 e   4 OH 
2
2
Milieu basique ou neutre.
Les trois comportements de base des métaux et alliages
Métaux inertes :
Les métaux inertes dans un milieu donné ne s’oxydent pas et ne se dégradent pas.
Métaux actifs :
Les métaux actifs dans un milieu donné s’oxydent et se corrodent spontanément, libérant des
ions métalliques dans le milieu.
Métaux passifs :
Les métaux passifs dans un milieu donné se recouvrent en surface d’une couche d’oxyde(s)
protecteur(s), qui les protège(nt) contre la poursuite de la réaction corrosive.
Les vitesses des deux réactions d’oxydation et de réduction doivent être égales.
L’ensemble du processus de corrosion peut être arrêté en bloquant l’une ou l’autre de ces
deux réactions.
La spontanéité de la réaction corrosive est déterminée thermodynamiquement, et exprimée par
la valeur de l’énergie libre de Gibbs ∆G: si cette valeur est NEGATIVE, la réaction de
corrosion (=oxydation du métal) est spontanée
 G   EnF
Où: E = potentiel réel du métal
n = nombre d’électrons mis en jeu
F = constante de Faraday
La valeur du potentiel du métal dans les conditions réelles est donnée
par l’équation de Nernst:
E  E  RT / nF .lOg (a
O
ox
/a
réd
)
Dans cette équation, le potentiel standard du métal E0 est modifié par les conditions
particulières du milieu (température T, rapport des activités du métal oxydé a o x et du métal à
l’état réduit à cet instant a réd).
27
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Les potentiels standard des différents métaux sont donnés dans la série galvanique, dont on
trouve ici les valeurs pour quelques métaux importants pour les biomatériaux:
I.11 Série galvanique de quelques métaux:
Valeurs pour la réaction de réduction, comme p.ex. : Ti +2 + 2e- = Ti 0
L’oxydation du fer
Fe= Fe +3+ 3 ePotentiel standard de réduction du fer, selon la série galvanique:
Fe +3+ 3 e - = Fe
- 0.44 V
Par conséquent, le potentiel standard d’oxydation du fer vaut:
Fe= Fe +3+ 3 e-
+ 0.44 V
 G   EnF
L’énergie libre de Gibbs vaudra donc:
∆G = - (+ 0.44) n F = - 0.44 n F
Valeur négative de ∆G, donc la réaction d’oxydation est spontanée.
I.12 Influence du milieu biologique :
I.12.1 Eléments importants du milieu :
- milieu aqueux
- ions: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, phosphates bicarbonates, etc.
- substances organiques (protéines, etc)
- oxygène dissous
- pH relativement constant à 7.4
- température 37°C
I.12.2 Influence du milieu biologique :
Les molécules organiques peuvent se lier aux ions libérés par la corrosion, entraînant
un déplacement de l’équilibre.
- Stabilité de la couche d’oxyde sur le métal affectée par le pH et les substances organiques
présentes.
28
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
- Stabilité de la couche d’oxyde également affectée par le niveau d’oxygène dissous:
déficience d’O2 = corrosion accélérée
- Des bactéries peuvent consommer l’hydrogène produit, d’où modification de l’équilibre des
réactions de corrosion
I.12.3 Types de corrosion en milieu biologique :
I.12.3.1 Corrosion par piqûre
Affecte les alliages recouverts d’une couche passive (aciers inox, stellites, titane...).
Corrosion localisée résultant de défauts dans la couche d’oxyde.
I.12.3.2 Corrosion en présence de crevasse:
Résulte d’un déficit localisé en oxygène (faible renouvellement de l’électrolyte). Corrosion
localisée pouvant se combiner à d’autres types (P.ex. frottement)
I.12.3.3 Corrosion inter granulaire :
Affecte particulièrement les alliages dont les joints de grains sont le lieu
d’accumulation de composants oxydables (carbures, impuretés, etc.).
I.12.3.4 Corrosion sous contrainte:
29
Chapitre I:
Recherches Bibliographiques
Combinaison de l’effet de contraintes localisées et d’un milieu corrosif. Les
contraintes augmentent fortement le processus de corrosion.
30
Chapitre II:
Logiciel et procédure de simulation
II. COMSOL Multiphysics Logiciel de simulation [15]:
II.1 Configuration :
Les produits COMSOL fonctionnent sous Windows 2000/XP/Vista et sous Linux,
sous Mac OS X ainsi que sur stations Solaris et HP-UX. La version 64-bit est disponible sous
Linux, sous UNIX et sous Windows XP Professional x64. Configuration minimale du
système: processeur Pentium III, 1024 Mo de RAM recommandés et une carte graphique
OpenGL compatible (32Mo minimum).
II.1.1 La famille de produits COMSOL :
Bien conçu, rapide, facile à utiliser, COMSOL Multiphysics répond aux défis de la
simulation multiphysique. Résoudre des modèles complexes de plus de 10 millions de degrés
de liberté, coupler arbitrairement n’importe quelle équation, modifier à loisir les modes
d’application prédéfinis, tout en restant transparent à l’utilisateur : voici ce que nous
proposons pour répondre aux défis de l’innovation des procédés et des produits.
II.1.2 La société COMSOL :
Fondée en 1986, la société COMSOL est présente en Europe et en Amérique du Nord
au travers de plus de quinze filiales, dont la France depuis 2002. Elle se développe activement
dans le monde entier.
30
Chapitre II:
Logiciel et procédure de simulation
II.1.3 Marques déposées :
COMSOL et FEMLAB sont des marques enregistrées de COMSOL AB, COMSOL
Multiphysics et COMSOL Script sont des marques déposées de COMSOL AB. ACIS et SAT
sont des marques enregistrée de Spatial Corp.
PARASOLID est une marque enregistrée de UGS Corp. SOLIDWORKS est une marque
enregistrée de SolidWorks Corp. Toute marque ou marque déposée appartient à leur
propriétaire respectif.
II.1.4 L’innovation crée la valeur ajoutée :
Nombres de problématiques industrielles exigent des techniques de simulation
innovantes, comme pour le procédé de chauffage par induction de la société Roctool.
COMSOL Multiphysics combine puissance et souplesse pour simuler des applications
impliquant une ou plusieurs physiques. Avec des possibilités de couplage illimitées.
Dans l’optique d’aider les organismes industriels et de recherche innovants, COMSOL a
développé une ligne de produit complète, à la fois conviviale pour le débutant et extensible
pour les experts.
II.1.5 La réalité est multiphysique :
Depuis les années 70, la simulation numérique est un des moteurs de l’innovation
scientifique et industrielle. Une meilleure appréhension des phénomènes physiques et leur
prise en compte en amont du processus de définition des produits ont abouti à l’amélioration
des performances, de la durée de vie et des coûts de possession. La prochaine frontière est la
multiphysique : non seulement au niveau des outils, mais aussi pour les compétences et la
formation.
Depuis 1998, COMSOL répond à ces attentes en apportant une solution innovante et
pluridisciplinaire.
II.2 Version 3.2a de COMSOL Multiphysics [16]:
Améliorations significatives des performances et possibilité de résoudre de nouvelles
catégories de problèmes sont les points forts de la version 3.2a de COMSOL Multiphysics.
Logiciel de calcul scientifique à destination de l’industrie et de la recherche, COMSOL
31
Chapitre II:
Logiciel et procédure de simulation
Multiphysics autorise la modélisation et la simulation de presque tous les processus
physiques, et notamment de leurs couplages.
En électromagnétisme par exemple, l’implémentation d’éléments vectoriels d’ordres plus
élevés et l’utilisation d’un solveur multigrille extrèmement puissant repoussent de plusieurs
ordres de grandeur la taille des modèles, et permet de simuler des problèmes 3D complexes
en propagation et en régimes statique et quasi-statique. Le COMSOL Reaction Engineering
Lab s’intègre avec COMSOL Multiphysics pour faciliter la simulation des problèmes de
chimie réactionnelle dans leur environnement physique complet.
– Les utilisateurs d’un logiciel de calcul souhaitent naturellement simuler des modèles
complexes et de grande taille, dont le traitement se heurte parfois aux limitati ons de la taille
de la mémoire, comme sur les versions précédentes de Windows. COMSOL Multiphysics
fonctionne désormais sur Windows XP Professional x64, qui gère jusqu’à 128 GB de RAM
et 16 terabytes de mémoire virtuelle. Cette mémoire disponible devrait limiter les messages
de dépassement de mémoire à quelques rares modèles très complexes et présentant des
couplages multiphysiques particulièrement sévères.
Un autre avantage de cette mémoire additionnelle est l’utilisation d’un solveur direct, et non
plus itératif, pour résoudre une plus grande variété de modèles. Un solveur direct comme
UMFPACK est largement répandu du fait de sa facilité d’emploi et sa robustesse : nul
besoin de préciser les paramètres d’un préconditionneur comme pour les solveurs itératifs.
Cependant, UMFPACK construit un système matriciel et stocke les coefficients dans un
espace mémoire non-fragmentée, qui peut être de beaucoup inférieur au total de la mémoire
vive théoriquement disponible. Avec Windows 64 bit, les utilisateurs disposent de grandes
fractions contigues de mémoire vive, ce qui augmentent considérablement la taille des
modèles résolus par UMFPACK. Quand les solveurs directs ne sont plus utilisables, les
solveurs itératifs prennent le relais pour résoudre des modèles encore plus grands.
Le COMSOL Reaction Engineering Lab est maintenant complètement intégré dans
COMSOL Multiphysics, plus particulièrement son module Génie Chimique. Le Reaction
Engineering Lab facilite la mise au point de modèles en chimie réactionnelle. L’utilis ateur
définit les espèces chimiques et leurs réactions; le logiciel simule alors les cinétiques
chimiques correspondantes dans un mélange idéal ou dans un réacteur tubulaire, ainsi que
les propriétés thermodynamiques et de transport. Pour des géométries arbitraires des
réacteurs et des variations spatiales des concentrations et de la température en 1D, 2D ou
32
Chapitre II:
Logiciel et procédure de simulation
3D, la prise en compte des bilans de matière et d’énergie intervient en important le modèle
dans le module Génie Chimique.
II.3 Modélisation multiphysique [17]:
II.3.1 Mise en route rapide pour COMSOL :
Les étapes de la simulation d’un modèle sous COMSOL sont les suivantes :
1) choisir la dimension dans le navigateur de modèles.
2) choisir le modèle si le modèle est multi physique, cliquer sur le bouton correspondant et
ajouter successivement les équations le composant. Il y a des modèles stationnaires
(steady-state) ou instationnaires (transient).
3) dessiner le domaine de calcul. On peut opérer des unions, intersections ; déférences de
formes élémentaires afin d’obtenir une forme complexe. Double-cliquer sur un objet permet
d’en éditer les propriétés géométriques si on veut entrer de la dimension précise ou le faire
tourner d’un angle donné.
33
Chapitre II:
Logiciel et procédure de simulation
4) Entrer les coefficients intervenant dans le modèle : dans le menu physiques choisir
subdomain settings. S’il y a plusieurs équations dans le modèle ; on peut activer l’une ou
l’autre grâce aux menus multiphysics.
5) entrer les conditions aux limites : dans le même menu choisir Boundary settings. Attention
si conditions aux limites sont entrées n’importe comment le problème peut ne pas avoir de
solution, cela apparaîtra lors de la phase de résolution.
6) mailler le domaine : utiliser le menu Mesh ou cliquer sur le triangle situe en dessous.
7) choix de l’intervalle de temps, si le problème est instationnaires : dans le menu Solve, item
Solver paramètres, ou cliquer sur l’icône comportant un point d’interrogation superposé à un
signe égal.
8) lancer le calcul : bouton égal, ou menu Solve
9) visualiser les résultats : dans le menu Post processing. Choisir Plot Paramètres.
II.4 l’équation de Nernst Planck :
Le flux molaire des espèces K est donné par l’équation de Nernst Planck :
Ni   D i  C i  Z i u i FC i  
est la concentration des espèces K ,
Ou
T
Di
est le coefficient de diffusion,
Zi
est la charge,
est la température, R la constante des gaz parfais et φ le potentiel électrostatique dans la
cavité.
Dans le cas général, l’équation de Nernst Planck s’écrit :
Dffusion

  .(  D i  C i  Z i u i FC i   
  
t
C i

C iu )  Ri
Convection
Electromig ration
34
Chapitre II:
u mi 
Où
Logiciel et procédure de simulation
Di
(relation de Nernst –Einstein) est la mobilité des espèces i
RT
La solution étant considérée électriquement neutre, nous pouvons écrire :
Z
i
Ci  0
(Condition électro-neurtralité)
Les propositions des espèces ioniques diffusant à travers l’interface métal-solution sur les
cotés et la base des parois de la caverne pour l’acier inox 316L sont :
72% de Fe2+, 18% de Cr3+, 10% de Ni+2
Les réactions d’électrodissolution, dues à l’oxydation des métaux, se produisant à l’intérieur
de la cavité de caverne sont décrites par les termes de l’équation de Tafel :
  F (V  U
i SK  i 0 . exp  k
RT

i0
est la densité de courant d’échange,
potentiel de l’électrode,
U
0
k
0
 S )


est le coefficient de transfert anodique,
est le potentiel en circuit ouvert et
S
V
est le
est le potentiel
électrostatique dans la solution prés de la surface de l’électrode, le tout se rapportant à
l’électrode de référence à l’infini.
Résolution et simulation numérique :
Les courants de dissolution des différentes espèces sont supposés constants.
Résolution en régime stationnaire.
Convection négligée.
Constantes d’hydrolyses et données sur les espèces [18].
35
Chapitre III:
Résultats de simulation
III. Partie I : caverne en surface :
III.1 Etude de la caverne localisée au niveau de la couche de Titane :
III.1.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%:
Des travaux ont été réalisés [19,20] sur des épaisseurs allant de 3 à 5 µm.
Dans notre étude, nous avons pris en considération une épaisseur de 4 µm de
titane, en contact avec le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl
à 0.9%.
III.1.1.1 Influence des contours :
La représentation de la couche de Titane, de la caverne et du milieu
physiologique est montrée sur la figure (1).
Figure 1 : différentes géomét ries de la caverne.
Sur les figures (2a et b) sont représentées les géométries et les contours des
différents domaines étudiés.
Figure 2: Géométrie et repérage des contours
38
Chapitre III:
Résultats de simulation
La valeur du pH à l’infini est de 5.932.
La valeur du pH à l’interface de l’électrolyte et du titane (surface 4 et 8) est de
5.824 et 5.808.
Les deux valeurs sont différentes de 0.016.
Les produits des réactions électrochimiques qui se produisent à l’intérieur de la
cavité se dégagent vers l’extérieur de la caverne.
Variation du pH sur le contour 6 :
Sur la surface 6, on remarque que le pH varie de 5.805 à 5.785, (changement de
la direction de la flèche, figure 2).
Figure 3: Evolution du pH en fonction
de la surface (6) dans la caverne
Figure 4: Evolution du pH en fonction
de la surface (12) dans la caverne
Variation du pH sur le contour 12 :
Sur la surface 12, on constate une variation du pH de 5.785 à 5.755, (Figure 4).
Variation du pH sur le contour 13 :
Sur la surface 13, le pH varie de 5.752 à 5.749, (figure 5).
Variation du pH sur le contour 14 :
Sur la surface 14, le pH varie entre 5.754 et 5.749, (figure 6).
39
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 6: Evolution du pH en fonction de la
surface (14) dans la caverne.
Figure 5: Evolution du pH en fonction
de la surface (13) dans la caverne.
Variation du pH sur le contour 11 :
Sur la surface 11, le pH varie de 5.780 à 5.755, (figure 5).
Figure 7: Evolution du pH en fonction de la
surface (11) dans la caverne.
Figure 8: Evolution du pH en fonction de la
surface (7) dans la caverne.
Variation du pH sur le contour 7 :
Sur la surface 7, la courbe montre une augmentation dans
du pH
la caverne.
de 5.785 à 5.810,
(changement de la direction de la flèche, figure 2).
Constatations :
Cette étude de la variation du pH suivant les différents contours de la surface
montre que le pH varie assez rapidement sur les surfaces 6 et 7, mais elle est
40
Chapitre III:
Résultats de simulation
ralentie suivant les surfaces 11 et 12 et devient stable sur les surfaces 13 et 14.
Car sur ces deux dernières surfaces qui se trouvent, en réalité au fond de la
caverne, l’intensité de dégagement des ions est beaucoup plus faible qu’en
surface, et il y a
une augmentation du potentiel électrochimique (en profondeur).
III.1.1.2 Influence de la profondeur de la caverne:
Dans cette partie, nous allons étudier la variation du pH en fonction de la
profondeur de la caverne, figure (9).
Figure 9 : Représentation de l’étude de
la profondeur de la caverne.
Figure 10 : Evolution du pH en fonction de
la profondeur dans la caverne.
La valeur du pH varie du niveau 0 jusqu'au fond de la caverne de 5.805 à 5.750.
La variation du pH est
due à la diminution de la concentration des ions
chlorures jusqu'à atteindre une stabilité de la concentration au fond de la
caverne, (figure 10).
Ensuite, nous avons refait la même étude de la variation du pH en
fonction de la profondeur mais
en suivant la trajectoire qui passe par les
contours (6, 12, 13), figure 11.
La figure 11, montre la variation du pH de la surface au point le plus profond.
41
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 11: Evolution du pH selon
les contours (6, 12,13).
Figure 12 : Evolution du pH selon
les contours (7, 11, 14).
La figure 11 montre que le pH varie entre 5.805 et 5.750.
Nous avons repris cette étude de la variation du pH en fonction de la profondeur,
en considérant cette fois- ci les contours (7, 11, 14), figure 12.
La figure 12, montre la variation du pH de la surface au point le plus profond.
La figure 12, montre que le pH varie entre 5.805 et 5.750.
III.1.1.3 Valeurs du pH en horizontal :
Dans cette partie, nous allons vérifier les valeurs du pH pour des points
situés en horizontal allant de la surface jusqu’au fond de la caverne, (figure 13).
Figure 13: Représentation de l’étude des points situés en horizontal.
42
Chapitre III:
Résultats de simulation
Les valeurs regroupées sur les tableaux suivant sont lues des courbes
précédentes.
Les
différentes
valeurs
du
pH
sont
pratiquement
identiques.
Constatation :
Le pH reste constant pour tous les trois points appartenant à une même ligne.
Nous allons vérifier ces résultats en faisant une simulation en considérant trois
contours horizontaux.
Y=0 µm
Suivant la ligne n° 1 : pH varie entre (5.805 et 5.809).
Y=3.1 µm
Suivant la ligne n° 2 : pH varie entre (5.748 et 5.749).
Y=3.5 µm
Suivant la ligne n° 3 : (pH = 5.748).
Constatation :
Cette étude de la variation du pH suivant les contours horizontaux de la
surface montre que le pH varie assez rapidement sur la ligne 1, mais elle est
43
Chapitre III:
Résultats de simulation
ralentie suivant la ligne 2 et devient stable sur la ligne 3. Car sur ces deux
dernières lignes qui se trouvent, en réalité au fond de la caverne, l’intensité de
dégagement des ions
est beaucoup plus faible qu’en surface, et il y a une
augmentation du potentiel électrochimique (en profondeur).
III.1.2 Influence de la géométrie de la caverne :
III.1.2.1 Influence des contours :
Etant donné que la caverne n’est pas toujours de même géométrie, nous avons
changé sa forme et refait l’étude, figure 16.
Figure 16 : Géométrie et repérage des contours.
La valeur du pH à l’infini est de 5.924
La valeur du pH à l’interface de l’électrolyte et du titane (surface 4 et 7) est de
[5.805-5.820]
Les deux valeurs sont différentes de 0.014.
Les produits des réactions électrochimiques qui se produisent à l’intérieur de la
cavité se dégagent vers l’extérieur de la caverne.
Variation du pH sur le contour 11:
Sur la surface 11, on constate une variation du pH de 5.805 à 5.770, (figure17).
44
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 17: Evolution du pH en fonction
de la surface (11) dans la caverne.
Figure 18: Evolution du pH en fonction
de la surface (12) dans la caverne.
Variation du pH sur le contour 12:
Sur la surface 12, on constate une variation du pH de 5.770 à 5.767, (figure18).
Figure 19: Evolution du pH en fonction de la
surface (13) dans la caverne.
Figure 20 : Evolution du pH en fonction de la
surface (10)dans la caverne .
Variation du pH sur le contour 13:
Sur la surface 13, le pH varie de 5.771 à 5.767, (figure 19).
Variation du pH sur le contour 10:
45
Chapitre III:
Résultats de simulation
Sur la surface 10, le pH varie de 5.788 à 5.772, (figure 20).
Variation du pH sur le contour 6 :
Sur la surface 6 la courbe représente une augmentation du pH de 5.780 à
5.810, (changement de la direction de la flèche, figure 22).
Figure 21 : Evolution du pH en fonction de la surface (6) dans la caverne.
III.1.2.2 Influence de la profondeur de la caverne:
Dans cette partie, nous allons étudier la variation du pH en fonction de la
profondeur de la caverne, figure (22).
Figure 22 : Représentation de l’étude
de la profondeur de la caverne.
Figure 23 : Evolution du pH en fonction de
la profondeur dans la caverne.
46
Chapitre III:
Résultats de simulation
La valeur du pH varie du niveau 0 jusqu'au fond de la caverne de 5.805 à 5.765.
La variation du pH est
due à la diminution de la concentration des ions
chlorures jusqu'à atteindre une stabilité de la concentration au fond de la
caverne, figure 23.
Variation du pH selon les contours (11, 12):
Ensuite, nous avons refait la même étude de la variation du pH en fonction de la
profondeur mais en suivant la trajectoire qui passe par les contours (11,12).
Figure 24: Evolution du pH
selon les contours (11,12).
Figure 25: Evolution du pH
selon les contours (6,10,13).
Figure 24 : Evolution du pH en
Figure 24 : Evolution du pH en
La figure
24, montre la variation du pH de la fonction
surface jusqu’au point le plus
fonction
de la profondeur
profond.
.
de la profondeur dans la caverne
dans la caverne
.
La figure 24 montre que le pH varie entre 5.805 et 5.765.
Nous avons repris cette étude de la variation du pH en fonction de la profondeur,
en considérant cette fois- ci les contours (6, 10,13).
La figure 25, montre la variation du pH de la surface jusqu’au point le plus
profond.
47
Chapitre III:
Résultats de simulation
III.1.2.3 Valeurs du pH en horizontal :
Dans cette partie, nous allons vérifier les valeurs du pH pour des points
situés en horizontal allant de la surface jusqu’au fond de la caverne, figure 26.
Figure 26: Représentation de l’étude des points situés en horizontal.
Les valeurs regroupées sur les tableaux suivant sont lues des courbes
précédentes.
Les
différentes
valeurs
du
pH
sont
pratiquement
identiques.
Constatation :
Le pH change pour tous les trois points appartenant à une même ligne.
Nous allons vérifier ces résultats en faisant une simulation en considérant trois
contours horizontaux.
Figure 27: Représentation de l’étude des lignes horizontales.
48
Chapitre III:
Y=0 µm
Résultats de simulation
Suivant la ligne n° 1 : pH varie entre (5.805 et 5.808)
Y=3.1 µm
Suivant la ligne n° 2 : pH varie entre (5.767 et 5.769)
Y=3.5 µm
Suivant la ligne n° 3 : pH est constant (pH= 5.767)
Constatation :
Cette étude de la variation du pH suivant les différents contours horizontaux de
la surface montre que le pH varie assez rapidement sur le contour 1, mais elle
est ralentie suivant le contour 2 et devient stable sur la ligne 3, car sur ces deux
dernières lignes qui se trouvent, en réalité au fond de la caverne, l’intensité de
dégagement des ions
est beaucoup plus faible qu’en surface, et il y a une
augmentation du potentiel électrochimique (en profondeur).
III.1.3 Solution de Brugirard
Nous avons repris la même étude mais on change le milieu physiologique.
Le Titane est toujours d'une épaisseur de 4 µm en contact avec le milieu
physiologique simulé par une solution de Brugirard dont la composition est
donnée sur le tableau 3
Tableau (3) : Compositions chimiques (g/L) de la solution de Brugirard.
Nous avons repris la même géométrie que dans la première partie.
Figure 28 : Géométrie et repérage des contours
49
Chapitre III:
Résultats de simulation
La valeur du pH à l’infini est de 5.932
La valeur du pH à l’interface de l’électrolyte et du titane (surface 4 et 8) est de
[5.815-5. 840].
Les deux valeurs sont différentes de 0.25.
Les produites des réactions électrochimiques qui se produisant à l’intérieur de la
cavité se dégagent vers l’extérieur de la caverne.
III.1.3.1 Influence des contours:
Variation du pH sur le contour 6:
Sur la surface 6, on remarque que la variation du pH à la valeur entre 5.805 et
5.785, (figure 29).
Figure 29: Evolution du pH en fonction
de la surface (6) dans la caverne.
Figure 30: Evolution du pH en fonction
de la surface (12) dans la caverne.
Variation du pH sur le contour 12:
Sur la surface 12, on constate une variation du pH de 5.785 à 5.750, (figure 30).
Variation du pH sur le contour 13:
Sur la surface 13, le pH varie de 5.752 à 5.748, (figure 31).
50
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 31: Evolution du pH en fonction.
de la surface (13) dans la caverne.
Figure 32: Evolution du pH en fonction
de la surface (14) dans la caverne.
Variation du pH sur le contour 14:
Sur la surface 14, le pH varie entre 5.753 et 5.748, (figure32).
Variation du pH sur le contour 11:
Sur la surface 11, le pH varie de 5.781 à 5.755, (figure 33).
Figure 34: Evolution du pH en fonction
de la surface (7) dans la caverne.
Figure 33: Evolution du pH en fonction
de la surface (11) dans la caverne.
51
Chapitre III:
Résultats de simulation
Variation du pH sur le contour 7 :
Sur la surface 7 la courbe représente une augmentation du pH de 5.785 à 5.810,
(changement de la direction de la flèche, figure 28).
III.1.3.2 Influence de la profondeur de la caverne :
Dans cette partie, nous allons étudier la variation du pH en fonction de la
profondeur de la caverne, figure (35).
Figure
35:
l’étude
de
Représentation
la
profondeur
de
de
la
Figure 36: Evolution du pH en fonction de
la profondeur dans la caverne.
caverne.
La valeur du pH varie du niveau 0 jusqu'au fond de la caverne de 5.805 à 5.749.
La variation du pH est
due à la diminution de la concentration des ions
chlorures jusqu'à atteindre une stabilité de la concentration au fond de la
caverne, figure36.
Constatation :
Ces deux études réalisées dans les deux électrolytes montre que les allures des
courbes représentant la variation du pH suivant les contours et la profondeurs
sont pratiquement identiques avec des variations de pH n’excédant pas 0.1 %.
Ce résultat est attendu
car ces solutions électrolytiques représentent des
solutions artificielles.
52
Chapitre III:
Résultats de simulation
III.1.4 cas où la caverne atteint le substrat :
III.1.4.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%:
Nous allons étudier le cas où la caverne traverse l’épaisseur du titane et se
poursuit dans le substrat, (figure37).
(a)
(b)
Figure 37 : Géométrie et repérage des contours
Sur les figures (37a et b) sont représentées les géométries et les contours des
différents domaines étudiés.
Figure 38 : différentes géométries.
Les espèces présentes dans la solution sont :
 Les ions métalliques produits de la dissolution : Fe2+, Cr3+, Ni2+, Ti3+
 Les ions d’hydrogène H+ et les ions hydroxydes OH- de la dissociation
des molécules de H2O.
53
Chapitre III:
Résultats de simulation
 Les produits d’hydrolyse : FeOH+, CrOH++, NiOH+, TiOH++.
Les réactions chimiques se produisant à l’intérieur de la cavité de la piqûre sont :
III.1.4.2 Influence des contours :
Variation du pH sur les contours (8et 16):
Sur les surfaces 8 et 16, le pH varie de 5.810 à 5.720, (figure40).
Figure 40: Evolution du pH en fonction
des surfaces (8 et 16) dans la caverne .
Figure 39: Evolution du pH en fonction
de la surface (17) dans la caverne .
Variation du pH sur le contour 17 :
Sur la surface 17, le pH varie de 5.714 à 5.709, (figure 39).
Figure 42: Evolution du pH en fonction
de la surface (19) dans la caverne .
Figure 41: Evolution du pH en fonction
de la surface (18) dans la caverne .
54
Chapitre III:
Résultats de simulation
Variation du pH sur le contour 18 :
Sur la surface 18, on constate une variation du pH de 5.722 à 5.710, (figure
41).
Variation du pH sur le contour 19 :
Sur la surface 19 la courbe représente une augmentation du pH de 5.709 à
5.710, (changement de la direction de la flèche, figure 37).
Figure 44: Evolution du pH en fonction de
la profondeur dans la caverne.
Figure 43: Evolution du pH selon
les contours (9 et 15) dans la caverne.
Variation du pH sur les contours 9 et 15 :
Sur surfaces 9 et 15, le pH varie entre 5.810 et 5.720, (figure 43).
III.1.4.3 Influence de la profondeur de la caverne :
La figure 44 montre l'avantage de d'associons le Titane et le substrat 316L car à
un certain niveau la valeur du pH du NaCl devient constant soit une corrosion
nulle, cependant on constat qu'il existe une différence dans la valeur du pH au
niveau des surfaces entre la valeur du pH entre le niveau 0 et la fond de la
caverne.
55
Chapitre III:
Résultats de simulation
III.1.5 Solution de Brugirard:
Nous avons repris la même étude mais on change le milieu physiologique.
(a)
(b)
Figure 45 : Géométrie et repérage des contours.
Sur les figures (45 a et b) sont représentées les géométries et les contours des
différents domaines étudiés.
III.1.5.1 Influence de la profondeur de la caverne :
Figure 46: Evolution du pH en fonction
de la profondeur dans la caverne.
Figure 47 : Evolution du pH
selon les contours (7, 11, 14).
56
Chapitre III:
Résultats de simulation
La valeur du pH varie du niveau 0 jusqu'au fond de la caverne de 5.805 à 5.715.
La variation du pH est
due à la diminution de la concentration des ions
chlorures jusqu'à atteindre une stabilité de la concentration au fond de la
caverne, figure 46.
Variation du pH sur les contours (7, 11, 14) :
Ensuite, nous avons refait la même étude de la variation du pH en
fonction de la profondeur mais en suivant la trajectoire qui passe par les
contours (7, 11, 14).
La figure 47 montre la variation du pH de la surface jusqu’au point le plus
profond.
La figure 47 montre que le pH varie entre 5.805 et 5.715.
Variation du pH sur les contours (9, 15, 18,19) :
Nous avons repris cette étude de la variation du pH en fonction de la
profondeur, en considérant cette fois- ci les contours (9, 15, 18,19).
La figure 48, montre la variation du pH de la surface jusqu’au point le plus
profond.
Figure 48 : Evolution du pH selon les contours (9, 15, 18,19)
La figure 48 montre que le pH varie entre 5.805 et 5.715.
57
Chapitre III:
Résultats de simulation
Partie II :
III.2 Caverne à l’interface Ti /316L:
III.2.1 le milieu physiologique simulé par une solution de NaCl à 0.9%:
Dans la deuxième étude, on change la disposition du Titane et du substrat 316 L
(figure 49) en contact direct avec 0.9 % NaCl .
Figure 4 9 : différentes géométries.
La figure 49 représente les différents milieux utilisés en simulation numérique
(0.9%de NaCl couche de Titane, substrat 316L).
(a)
(b)
Figure 50 : Géométrie et repérage des contours.
58
Chapitre III:
Résultats de simulation
Sur les figures (50 a et b) sont représentées les géométries et les contours des
différents domaines étudiés.
La valeur du pH à l’infini est de 7.04.
La valeur du pH à l’interface de l’électrolyte et du titane (surface 4et 6) est de
4.15 et 4.10.
Les deux valeurs sont différentes de 0.05.
Les produits des réactions électrochimiques qui se produisent à l’intérieur de la
cavité se dégagent vers l’extérieur de la caverne.
III.2.2 Les réactions chimiques se produisant à l’intérieur de la cavité de la
piqûre:
Les réactions chimiques se produisant à l’intérieur de la cavité de la piqûre sont :
III.2.3 Influence de la profondeur de la caverne :
Dans cette partie, nous allons étudier la variation du pH en fonction de la
profondeur de la caverne, (figure 50).
59
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 51 : Evolution du pH selon
les contours (12, 14).
Figure 52: Evolution du pH en fonction
de la profondeur dans la caverne.
La valeur du pH varie du niveau 0 jusqu'au fond de la caverne de 4.10 à 3.38. La
variation du pH est due à la diminution de la concentration des ions chlorures
jusqu'à atteindre une stabilité de la concentration au fond de la caverne.
Ensuite, nous avons refait la même étude de la variation du pH en fonction de la
profondeur mais en suivant la trajectoire qui passe par les contours (12, 14).
La figure 52 montre la variation du pH de la surface jusqu’au point le plus
profond.
III.2.3.1 Influence des contours :
Variation du pH selon les contours (12, 14) :
La figure 51 montre que le pH varie entre 4.105 et 3.388.
Nous avons repris cette étude de la variation du pH en fonction de la profondeur,
en considérant cette fois- ci les contours (11, 13).
La figure 35, montre la variation du pH de la surface jusqu’au point le plus
profond.
60
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 54 : Représentation de l’étude des
points situés en horizontal.
Figure 53 : Evolution du pH
selon les contours (11, 13).
Variation du pH selon le contour (11, 13) :
Globalement la variation du pH du niveau 0 jusqu'au fond de la fissure dans
l'interface est de 4.15 à 3.88
résulte des échanges de courant électrique à
l’interface métal/solution aqueuse sont régis par une différence de potentiel,
(Figure 53).
III.2.3.2 Valeurs du pH en horizontal :
Dans cette partie, nous allons vérifier les valeurs du pH pour des points situés en
horizontal allant de la surface jusqu’au fond de la caverne, figure 50 (b).
Les valeurs regroupées sur les tableaux suivant sont lues des courbes
précédentes.
61
Chapitre III:
Résultats de simulation
Entre les points 1 et 2 il y à une diminution de 0.20.
Entre les points 2 et 3 il y à une diminution de 0.59.
Entre les points 4 et 5 il y à une diminution de 0.02.
Entre les points 5 et 6 il y à une diminution de 0.08.
Entre les points 5 et 6 il y à une diminution de 0.04.
Entre les points 5 et 6 il y à une diminution de 0.05.
Variation du pH selon la ligne 1 :
Suivant la ligne 1, le pH varie de 4.165 à 4.090, (figure 55).
Figure 55 : Evolution du pH selon la ligne 1.
Figure 56: Représentation de l’étude
selon les lignes.
Variation du pH selon la ligne 2 :
Suivant la ligne 2, le pH varie de 4.09 à 4.01, (figure 57).
62
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 57 : Evolution du pH selon la ligne 2
Figure 58 : Evolution du pH selon la ligne 3.
Variation du pH selon la ligne 3 :
Suivant la ligne 3, le pH varie de 3.95 à 3.88, (figure 58).
III.2.4 Solution de Brugirard :
Dans cette présente étude, on change la disposition du Titane et du substrat 316
L (figure 59) en contact direct avec la Solution de Brugirard.
Figure 59: différentes géométries.
63
Chapitre III:
Résultats de simulation
(a)
(b)
Figure 60 : Géométrie et repérage des contours.
Sur les figures (60 a et b) sont représentées les géométries et les contours des
différents domaines étudiés.
La valeur du pH à l’infini est de 7.04.
La valeur du pH à l’interface de l’électrolyte et du titane (surface 4 et 8) est de
4.00 et 3.90.
Les deux valeurs sont différentes de 0.1.
Les produits des réactions électrochimiques qui se produisent à l’intérieur de la
cavité se dégagent vers l’extérieur de la caverne.
III.2.4.1 Influence de la profondeur de la caverne :
Dans cette partie, nous allons étudier la variation du pH en fonction de la
profondeur de la caverne, figure (61).
64
Chapitre III:
Résultats de simulation
Figure 61: Représentation de l’étude
de la profondeur de la caverne.
Figure 62 : Evolution du pH en fonction
de la profondeur dans la caverne.
La valeur du pH varie du niveau 0 jusqu'au fond de la caverne de 5.805 à 5.749.
La variation du pH est
due à la diminution
de la concentration des ions
chlorures jusqu'à atteindre une stabilité de la concentration
au fond de la
caverne, figure 62.
Ensuite, nous avons refait la même étude de la variation du pH en fonction de la
profondeur mais en suivant la trajectoire qui passe par les contours (11,13).
La figure 63, montre la variation du pH de la surface au point le plus profond.
III.2.4.2 Influence des contours :
Variation du pH selon le contour (11, 13) :
La figure 64, montre que le pH varie entre 4.00 et 3.745.
Figure 64: Evolution du pH selon
les contours (12, 14).
Figure 63: Evolution du pH selon
les contours (11, 13).
65
Chapitre III:
Résultats de simulation
Varation du pH selon le contour (12, 14) :
Nous avons repris cette étude de la variation du pH en fonction de la
profondeur, en considérant cette fois- ci les contours (12,14).
La figure 45, montre la variation du pH de la surface au point le plus profond.
III.2.4.3 Valeurs du pH en horizontal :
Dans cette partie, nous allons vérifier les valeurs du pH pour des points
situés en horizontal allant de la surface jusqu’au fond de la caverne, figure 46.
Figure 65: Représentation de l’étude des points situés en horizontal.
Les valeurs regroupées sur les tableaux suivant sont lues des courbes
précédentes.
Entre les points 1 et 2 il y à une diminution de 0.40.
Entre les points 2 et 3 il y à une diminution de 0.15.
Entre les points 4 et 5 il y à une diminution de 0.020.
Entre les points 5 et 6 il y à une diminution de 0.020.
Entre les points 7 et 8 il y à une diminution de 0.005.
Entre les points 8 et 9 il y à une diminution de 0.020.
Constatation :
Le pH varie pour tous les trois points appartenant à une même ligne.
66
Chapitre III:
Résultats de simulation
Nous allons vérifier ces résultats en faisant une simulation en considérant
trois lignes (figure 66).
Variation du pH selon la ligne 1 :
Sur la ligne 1, le pH varie de 3.998 à 3.945, (figure 67).
Figure 67 : Evolution du pH selon la ligne 1.
Figure 66: Représentation de l’étude des
lignes.
Variation du pH selon la ligne 2 :
Sur la ligne 2, le pH varie de 3.915 à 3.875, (figure 68).
Variation du pH selon la ligne 3 :
Sur la ligne 3, le pH varie de 3.845 à 3.805, (figure 69).
Figure 68 : Evolution du pH selon la ligne 2.
Figure 69 : Evolution du pH selon la ligne 3.
67
Références bibliographiques
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Rapport rédigé sous la co-responsabilité de
Laurent SEDEL, Président de l'Inter commission n° 1 de l'INSERM Faculté de Médecine Lariboisière - Paris
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éditions Dunod, Paris, 2004, ISBN 2-10-005458-9, page212.
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structures, Techniques de l’ingénieur, traité Matériaux métalliques
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[8]:
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out
the
wrinkles”,
from
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Engineeringfeaturing Thermage, Inc.
[ 11 ] :
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Designfeaturing SARA, Inc.
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Automotive Engineeringfeaturing Fleetguard, Inc. and Cummins,
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Sodium/Iron Chloride Battery, J. Electrochem. Soc., 137(3), 876883 (1990).
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Electrical Resistivity of Composites, J. Am. Ceram. Soc., 73(8),
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Electrochem. Soc., 126(10), 1713-1717 (1979).
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C. Fonseca et al. /Corrosion Science 46 (2004).
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Vicentini,
Evolution
by
electrochemical tests of the passive film stability of equiatomic Ni
– Ti alloy also in presence of stress-induced martensite", Journal of
Biomedical Materials Research, 51,47-54,2000.
[ 20 ] :
A.TURNBULL, Implication of internal cathodic reactions
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Corrosion Journal 1997 Vol.32N°.4 283-290.
[ 21 ] :
Kamel YaYa,Evolution by electrochemical tests
of the
passive film stability of equiatomic Ni-Ti alloy also in presence of
stress induced martensite
Research
journal of Biomedical Materials
Conclusion
Les essais de corrosion en laboratoire fournissent de nombreuses informations utiles sur le
comportement des biomatériaux. Les milieux artificiels sont l'objet principal de ces études, car
reproduire un milieu naturel (sang, plasma, salive) n'est pas évident, d'autant qu'ils varient
eux-mêmes dans leur composition.
Les mesures expérimentales de la variation du pH en fonction de la profondeur des cavernes ne sont
pas encore réalisables. C'est pourquoi, il est fait appel à la simulation. A cet effet. nous avons
utilisé le logiciel `Comsol Multiphysics'.
Dans un premier temps, nous avons considéré une caverne dont la profondeur ne
dépasse pas l'épaisseur de la couche de titane.
En présence de la solution de NaC1 à 0.9%, le pH diminue de 5.81 à 5.74 donc devient de plus en
plus acide lorsque la profondeur de la caverne augmente.
En présence de la solution de Brugirard, le pH diminue de 5.80 à 5.74 pour les mêmes valeurs de
la profondeur de la caverne.
Dans un deuxième temps, nous avons considéré une caverne dont la profondeur
traverse la couche de titane et atteint le substrat en acier inoxydable. Nous avons constaté, qu'en
présence de la solution à 0.9% de NaCI, que le pH varie de 5.810 à 5.710 et qu'en présence
de la solution de Brugirard, ce pH varie de 5.800à 5.710.
Nous déduisons que ces deux milieux physiologiques salivaires présentent un même effet sur
la variation du pH en profondeur de la caverne à 0.01 près.
La forme de la caverne n'a aucune influence sur la variation du pH en profondeur, sur la
surface de contact avec le milieu physiologique et que pour un même niveau en profondeur, le
pH prend la même valeur.
Dans une deuxième étude, nous avons considéré une caverne qui se trouve à l'interface du
substrat et du dépôt de titane.
Le pH diminue de 4.10 à 3.88 dans le milieu physiologique à 0.9% de NaCI, lorsque la
profondeur augmente. Par contre, ce pH diminue, pour une même profondeur, de 4.00 jusqu'à 3.74
quand le milieu physiologique est la solution de Brugirard. Il ressort de cette étude que la diffusion
de l'électrolyte, dans le cas où la caverne est à l'interface, est plus rapide que dans le cas où la
caverne est en surface.
63
L'étude de la variation du pH atteint en surface de la caverne, montre qu'il devient plus acide au
contact avec le 316L (pH=5.710) qu'au contact du titane et que pour une même profondeur, le
pH devient plus acide à l'approche de la surface de contact des deux solutions avec le 316L (pH=3.88)
En perspective, nous envisageons de reprendre, en partie, cette étude dans le cas des
biomatériaux non métalliques et en particulier dans le cas des polymères utilisés dans le domaine
chirurgical et dans les prothèses cardio-vasculaires.
Nous comptons, également, réaliser des dépôts en phase vapeur (PVD) de titane sur le 316L, au
Laboratoire de Microscopie Electronique et des Sciences des Matériaux et procéder par la suite à des
essais électrochimiques (de polarisation et d'impédance) en présence de ces deux milieux
physiologiques.
D'autre part, une collaboration avec une équipe de recherche du département de chirurgie dentaire
de la faculté de médecine est envisagée.
64