Synthesis and deposition of bioactive glass powders of the 31SiO2-11P2O5-(58-x)CaO-xMgO system onto titanium alloys and Stainless Steel AISI 316L substrate by thermal spray

Sintesis y deposicion de biovidrios pertenecientes al sistema 31SiO2-11P2O5- (58-X) CaO –X MgO sobre aleaciones de titanio y acero AISI 316L mediante proyeccion termica

• Auteur / Autrice : Monica Johanna Monsalve Arias
• Direction : Hélène Ageorges, María Esperanza López Gómez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Université d'Antioquia
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques - Institut Matériaux Procédés Environnement Ouvrages
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francisco Javier Bolívar Osorio, Fabio Vargas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Projection au plasma

Revêtement de surface

Verre

Mots clés libres

Projection thermique

Bioactivité

Résumé

La synthèse de poudres de verres bioactifs appartenant au système 31SiO2-11P2O5-(58-x)-CaOx-MgO (x=0 et x=2) a été réalisée par fusion/broyage pour réaliser des revêtements par projection plasma et flamme oxyacétylénique. Deux types de substrats en alliage de titane Ti6A14V et en acier inoxydable AISI 316L ont été testés avec deux épaisseurs de revêtements de l'ordre de 80 et 400 µm. La non cytotoxycité des poudres, mesurée en présence de la ligne cellulaire U937 et Saos2, a été montrée en donnant un pourcentage de cellules vivantes supérieur à 75%. Les propriétés mécaniques (dureté et ténacité) des revêtements de verres bioactifs obtenus par projection plasma. En revanche, il a été observé que le type de substrat a une plus grande influence importante : les dépots sur les substrats de Ti6A14V ont les meilleures propriétés mécaniques. Les revêtements obtenus par les deux techniques sur du Ti6A14V présentent une bonne résistance à l'usure, dans les conditions d'essais, avec peu d'arrachement de particules; l'usure est de type abrasive. Lors des tests d'adhérence, sur le Ti6A14V, des dépôts réalisés par projection flamme, la rupture était de 100% adhésive pour les deux épaisseurs de dépôt. Dans le cas des dépôts réalisés par projection plasma, une rupture de type 100% cohésive était observée pour les dépôts de plus forte épaisseur alors que dans les dépôts de plus faible épaisseur la rupture était de type cohésive-adhésive. Les revêtements de verres testés sont bioactifs et présentent la formation d'une couche d'hydroxyapatite à leur surface en présence d'un liquide biologique simulé. L'épaisseur de la couche formée augmente avec le temps de séjour dans le fluide biologique et l'ajout de 2% molaire de MgO n'affecte pas la bioactivité des dépôts. Tous les revêtements testés sont non cytotoxyques et ont donné lieu à une prolifération et une adhésion cellulaire.

Fused and crushed bioactive glass powder of the 31SiO2-11P2O5-(58-x)-CaOx-MgO (x=0 and x=2) system has been synthesized in order to use them to manufacture coatings by plasma and oxyacetylene flame spraying. Two types of substrates, Ti6A14V alloy and Stainless Steel AISI 316L, have been tested with two coating thicknesses of about 80 and 400 µm. The no cytotoxicity of the synthetized powders was evaluated in presence of the cell line U937 and Saos2, showing a percentage of live cells greater than 75%. Mechanical properties such as hardness and fracture toughness of the bioglass coatings obtained by flame spraying are lightly lower than those of the coatings obtainedby plasma spraying. In contrary, it was found that yhe substrate has a larger influence: coatings obtained onto Ti6A14V substrate showed the best mechanical properties. Coatings manufactured by both processes on Ti6A14V have a good wear resistance, according to the test conditions, with few detached particles giving an abrasive wear. The adhesion tests onto Ti6A14V of the flame coatings gave a 100% adhesive failure for both coating thicknesses. In the case of the coatings produced by plasma spraying, a 100% cohesive failure was found for the thicker coatings while for the thinner thickness the failure was cohesive-adhesive. The tested coatings are bioactive and show the formation of a hydroxyapatite layer onto its surface in the presence of simulated biologic fluid. The thickness of the formed layer increases with the time of immersion in the biologic fluid and the addition of 2% molar of MgO doesn't affect the bioactivity of coatings. Finally all of them show a good response in the tests of cytotoxicity, proliferation and cell adhesion.

En este proyecto se sintetizaron vidrios bioactivos pertenecientes al sistema 31SiO2-11P2O5- (58-X) CaO –X MgO (x=0 y x=2) por fusión y posteriormente se sometieron a un proceso de molienda con el fin de obtener polvos con una granulometría adecuada para ser utilizados como materia prima en la fabricación de recubrimientos mediante la técnica de proyección térmica por plasma y por llama oxiacetilénica. Como sustratos metálicos se utilizaron la aleación Ti6Al4V y acero AISI 316L. Se obtuvieron recubrimientos con espesores entre 80 y 400 micras. Inicialmente se evaluó la citotoxicidad de los polvos de vidrio bioactivo en presencia de la línea celular U937 y Saos2, obteniéndose en todos los casos un porcentaje de células vivas superior al 75% lo cual indica que dichos vidrios no son citotóxicos. Se midieron propiedades mecánicas como la dureza y la tenacidad a la fractura mediante indentación Vickers, la adherencia siguiendo los lineamientos de la norma ASTM C633, la resistencia al desgaste con el método bola-disco y los esfuerzos residuales con el método de la curvatura. Se utilizó la técnica de impedancia electroquímica para determinar la permeabilidad del fluido Biológico simulado a través del recubrimiento y se hizo el ensayo de bioactividad sumergiendo las muestras en el fluido biológico simulado propuesto por Kokubo durante 1, 9 y 15 días. Como resultado se encontró que los parámetros de proyección utilizados para ambas técnicas de proyección térmica fueron adecuados y permitieron obtener recubrimientos con buenas propiedades mecánicas y una alta bioactividad. Además, se observó que el tipo de sustrato tiene una influencia importante en las propiedades mecánicas, siendo mejores en los recubrimientos depositados sobre Ti6Al4V. En general los recubrimientos de vidrio bioactivo presentan una buena dureza entre 4. 1±04 et 5. 2 ±0. 6 GPa y una buena tenacidad a la fractura entre 4. 6 ±0. 9 et 6. 6 ±1. 1 Pa. M1/2 a pesar de la cantidad de defectos que presentan en su microestructura. No se apreció una influencia de la composición química en las propiedades mecánicas. En la literatura no se reporta a menudo el uso de la proyección térmica por llama para la elaboración de recubrimientos de vidrio bioactivo, en este estudio se encontró que los valores de dureza y tenacidad a la fractura de los recubrimientos, aunque están influenciados por diversos factores (como la cristalinidad, el espesor del recubrimiento y el tipo de sustrato), presentan valores muy similares a los obtenidos por la proyección térmica por plasma, pudiéndose concluir que está técnica es adecuada para elaborar este tipo de recubrimientos. Los recubrimientos fabricados por ambas técnicas presentan también una buena resistencia al desgaste ( entre 1,33 x10-6 ± 9,29x10-7 y 2,22x10-4 ± 3,06x10-5mm3/N. M) en las condiciones en las que se realizó el ensayo (carga 2,46 N, 2,5 h, 20880 ciclos) no se presentó desprendimiento de partículas observándose desgaste por abrasión. Se encontró que al aumentar el espesor de los recubrimientos aumentan los esfuerzos residuales de compresión, ya que la deposición continua de material sobre una capa ya depositada inducirá esfuerzos compresivos a la capa depositada previamente. Con respecto a la adherencia se observó que hay una influencia del espesor de la capa y la falla fue 100% adhesiva en el caso de los recubrimientos depositados por proyección térmica por llama. En el caso de los recubrimientos fabricados por proyección térmica por plasma, en la capa con mayor espesor se encontró una falla 100% cohesiva mientras que en los de menor espesor la falla fue cohesiva-adhesiva. El nivel de esfuerzos residuales puede crear delaminación en la interfaz. Sin embargo, los esfuerzos residuales compresivos en pequeñas cantidades inhiben la formación de grietas a través del espesor y mejoran la adhesión y la resistencia a la fatiga. Los recubrimientos son bioactivos, presentan formación de una capa de HA en la superficie en presencia de SBF. El espesor de esta capa aumenta con el tiempo de inmersión en el SBF y la adición de un 2% molar de MgO no afectó la bioactividad de los vidrios bioactivos. Todos los recubrimientos mostraron una buena respuesta en los ensayos de citotoxicidad, proliferación y adhesión celular.