Electrochemical characterization of plasma electrolytic oxidation coatings on TiAI and Ti6AI4V for biomedical applications

Abstract

The titanium alloys presently used for hard tissue replacement and other biomedical applications meet the principal requirements to perform with adequate host response in the body environment. However, some concern related to their corrosion properties and the release of metal ions in the body has triggered research towards new and efficient methods to overcome these problems. Simultaneously, the challenge lies in the development of multifunctional surfaces that mimic their host tissues in an attempt to enhance biocompatibility of the substrate material by promoting a stable implant/tissue interface. The present research explores the newly developed technique of plasma electrolytic oxidation (PEO) to modify the functional surfaces of gamma titanium aluminide (γTiAl) and Ti6Al4V alloys with the ultimate goal of using these materials in hard tissue, biomedical applications. The effectiveness of these surface treatments on the corrosion performance of the alloys was studied and compared using analytical imaging techniques such as Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM) and corrosion testing through Potentiodynamic Polarization and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Although γ TiAl has been used mainly in aerospace applications, previous studies have suggested the potential of this alloy for hard tissue replacement. Additionally, the growing need for new titanium alloys with better corrosion properties and without the toxic effects of vanadium motivates the current research. A significant relationship was found between the coating characteristics and the voltagecurrent conditions applied during the plasma electrolysis process. Highly porous surfaces (average pore size up to 500nm and 3.7µm in γTiAl and Ti6Al4V respectively), uniform and thick coatings were produced on the surfaces of both alloys. Features such as composition, morphology and topography were found to be alloy specific. Electrochemical tests using simulated body fluid (SBF) solutions highlighted the differences in corrosion behavior of the alloys with and without the PEO surface treatment. Although γTiAl exhibited an increased susceptibility to localized corrosion, surface modification with the PEO coatings demonstrated a noticeable reduction of this corrosion mechanism. Quantitatively, corrosion rate (icorr) reduction of about 90% and 78% were estimated under particular conditions of the coatings applied on γTiAl and Ti6Al4V. Moreover, results obtained by EIS suggested the improvement of corrosion resistance of the PEO treated alloys by increased polarization resistance values (as much as to thirty and four times the values obtained for untreated specimens). EIS technique allowed elucidating the interactions between the Ca-P rich coating and the simulated body fluid (SBF).

Aunque las aleaciones de titanio utilizadas en la actualidad como sustituto de tejido óseo en aplicaciones ortopédicas y en general biomédicas han demostrado éxito clínicamente al ser biocompatibles, aun se tiene cierta renuencia en cuanto a las propiedades de corrosión de las mismas y la consecuente liberación de iones metálicos en el cuerpo. De esta manera, diferentes investigaciones se llevan a cabo para eliminar o mejorar estos problemas. A la vez, el reto se fija en el desarrollo de superficies multifuncionales, capaces de imitar los tejidos con los que se encuentran en contacto, como una manera de mejorar su biocompatibilidad. El interés principal de esta investigación es la aplicación de una novedosa técnica, oxidación electrolítica por plasma, para modificar las aleaciones de TiAl y Ti6Al4V. Se evalúa el efecto de estos tratamientos superficiales en la resistencia a la corrosión de ambas aleaciones, además de comparar en general los resultados obtenidos para cada una. Aunque la aleación de TiAl ha sido empleada principalmente en aplicaciones aeroespaciales, estudios previos han sugerido su potencial en aplicaciones biomédicas. Adicionalmente, la emergente necesidad de nuevas aleaciones de titanio con mejores propiedades de corrosión, sin los efectos nocivos y tóxicos de elementos aleantes como el vanadio, motivan esta investigación. Fue notable la relación significativa entre las características del recubrimiento obtenido y las condiciones aplicadas durante el proceso de electrolisis por plasma. Recubrimientos altamente porosos (tamaño promedio de poro desde 500nm hasta 3.7 µm para γTiAl y Ti6Al4V respectivamente), uniformes y gruesos fueron producidos en las superficies de ambas aleaciones. Sin embargo, características particulares como composición, morfología y topografía son específicas para cada aleación. Ensayos electroquímicos usando fluido corporal simulado (SBF) mostraron las diferencias entre el comportamiento electroquímico de las aleaciones con y sin tratamiento superficial. Aunque γTiAl mostro una marcada tendencia a la corrosión localizada, la modificación superficial con plasma mostro una reducción significativa en este mecanismo. Aunque el efecto de los recubrimientos por plasma electrolítico sobre la resistencia a la corrosión de ambas aleaciones fue notable, la aleación de γTiAl modificada mejoro su resistencia a corrosión por picado, sugiriendo la acción protectora de la capa obtenida por plasma electrolítico. Los resultados obtenidos por impedancia electroquímica permitieron dilucidar las interacciones entre las muestras recubiertas una vez se encuentran en contacto con SBF, sugiriendo también la mejora en propiedades de corrosión de las aleaciones tratadas con electrolisis por plasma. Cuantitativamente, hay reducción en la velocidad de corrosión (icorr) de 90% y 78% para condiciones especificas de recubrimientos aplicados en γTiAl and Ti6Al4V. Los resultados obtenidos por (EIS) mostraron mejoras en la resistencia a la corrosión dados por valores más altos de Rp (hasta treinta y cuatro veces los valores obtenidos para muestras sin tratamiento). La técnica de EIS permitió elucidar las interacciones entre los recubrimientos de Ca y P y el SBF.