Synthèse et caractérisations de nanotubes de TiO2 pour applications biomédicales : propriétés électrochimiques et bioactivité

Synthesis and characterizations of TiO2 nanotubes for biomedical applications : electrochemical properties and bioactivity

• Auteur / Autrice : Fanny Hilario
• Direction : Ricardo Nogueira, Virginie Roche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 02/10/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Wouters
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alberto Moreira Jorge JR
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadine Pébère, Marco Musiani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Anticorrosion

Métaux -- Oxydation anodique

Mots clés libres

Nanotubes de TiO2

Anodisation

Bioactivité

Hydroxyapatite

Résistance à la corrosion

Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE)

TiO2 Nanotubes

Anodization

Bioactivity

Hydroxyapatite

Corrosion Resistance

Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)

Résumé

Le Titane (Ti) est un matériau biocompatible largement utilisé dans le domaine biomédical, notamment pour les implants orthopédiques (prothèse de hanche ou du genou par exemple). Il se distingue plus particulièrement par son excellente résistance à la corrosion et sa capacité d’ostéo-intégration. Cependant, une surface plane de Ti n’est pas assez bioactive pour être implantée ; il est nécessaire d’avoir recours à un traitement de surface pour améliorer ses propriétés. La modification de la surface du titane par anodisation permet la synthèse de nanotubes (NTs) de TiO2 ordonnés et verticalement alignés. Cette technique, peu couteuse, rapide et facile à mettre en œuvre permet également de contrôler finement la morphologie des NTs (diamètre, longueur, aspect des parois…). De plus, les NTs étant amorphes après anodisation, la structure cristalline peut être ajustée par un traitement thermique, conduisant à une structure anatase (450°C) ou à une structure mixte d’anatase et de rutile (550°C).Ainsi, des surfaces de différentes morphologies et différentes structures cristallines ont été synthétisées dans ce travail de thèse, afin d’évaluer l’influence des caractéristiques morpho-structurelles sur la résistance à la corrosion en milieu physiologique et sur la bioactivité (formation d’hydroxyapatite et réponse cellulaire).Nous avons démontré dans cette étude que les NTs cristallisés présentent une plus grande résistance à la corrosion et une meilleure bioactivité que les NTs amorphes (ou que les surfaces planes de Ti). Plus précisément, en tenant compte des aspects électrochimiques, thermiques, mécaniques, chimiques et de bioactivité, il semblerait que des NTs mixtes d’environ 720 nm de long et 90 nm de diamètre constituent une surface optimale pour les applications visées.D’autre part, dans le cadre de l’étude des propriétés électrochimiques de l’interface, une attention toute particulière a été accordée dans ce travail de thèse à la modélisation des résultats de mesures par Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE). Il s’avère que la réponse en impédance des NTs de TiO2 en milieu physiologique correspond au modèle d’électrode poreuse de De Levie. Toutefois, pour des électrodes poreuses non-idéales, cette théorie peut être généralisée et modélisée par des lignes de transmission. Ainsi, le modèle de ligne de transmission proposé dans cette étude s’ajuste de façon très satisfaisante aux mesures expérimentales. Il permet notamment de mettre en évidence la nature très peu réactive des NTs de TiO2, justifiant ainsi leurs applications dans le domaine biomédical.

Titanium (Ti) is a biocompatible material widely used in the biomedical field, especially for orthopedic implants (for instance hip or knee replacement). It is particularly corrosion resistant and shows remarkable osseointegration properties. However, plane Ti surfaces are not bioactive enough to be implanted; they need to be improved by surface treatments. Surface modification of Ti by anodization enables to synthesize self-organized and vertically aligned TiO2 nanotubes (NTs). This cheap, fast and easily implementable technique also permits a fine tuning of NTs morphology (diameter, length, wall look, etc.). Moreover, since as-anodized NTs are amorphous, crystalline structure may be adjusted by heat treatment, producing anatase structure (450°C) or a mixed structure of anatase and rutile (550°C).Therefore, surfaces of different morphologies and crystalline structures have been synthesized in order to evaluate the influence of these characteristics on corrosion resistance in physiological medium and on bioactivity (hydroxyapatite formation and cell response).We demonstrated that crystallized NTs are more corrosion resistant and more bioactive than amorphous ones or even than flat Ti surfaces. More precisely, considering electrochemical, thermal, mechanical, chemical and bioactive aspects, it seems that mixed NTs of about 720 nm in length and 90 nm in diameter constitute an optimal surface for the present applications.Additionally, in the frame of electrochemical investigations, we focused on modeling experimental results from Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements. The impedance response of TiO2 NTs in physiological conditions can correspond to porous electrode model as developed by De Levie. However, for non-ideal electrodes, this theory can be generalized and modeled by transmission lines. Thus, the transmission line model developed in this study fits very well with experimental measurements. It suggests that TiO2 NTs are almost non-reactive, justifying their applications in biomedical fields.