Pourquoi la corrosion galvanique est-elle un problème dans les systèmes de plaques et de vis de blocage en matériaux multiples ?

Comprendre la corrosion galvanique dans les implants en matériaux multiples

Définition et mécanisme de la corrosion galvanique dans les contextes biomédicaux

Lorsque des métaux différents entrent en contact dans des implants multimatériaux à l'intérieur du corps, ils ont tendance à corroder plus rapidement car ils forment ce qu'on appelle une cellule électrochimique dans nos fluides corporels. Ces fluides agissent essentiellement comme des batteries, permettant aux ions de circuler entre le métal moins noble (l'anode) et le métal plus noble (la cathode). Prenons par exemple les systèmes de plaques verrouillables, où l'on observe souvent des plaques en titane associées à des vis en acier inoxydable. S'il existe une différence de potentiel supérieure à environ 300 millivolts entre ces matériaux, cela crée des courants corrosifs continus qui affaiblissent progressivement l'implant. C'est pourquoi certaines études de Chen et Thouas datant de 2015 ont mis en garde contre le fait que ce type de corrosion peut effectivement dégrader tout le système d'implant.

Conditions requises pour la corrosion galvanique : métaux dissimilaires, électrolyte et contact direct

Trois conditions doivent coexister pour qu'une corrosion galvanique se produise :

1. Métaux dissimilaires avec une différence de potentiel de 50 mV (par exemple, titane par rapport au cobalt-chrome)
2. Électrolyte présence—tels que le plasma sanguin (pH 7,4) ou le liquide synovial—des composants de raccordement
3. Continuité électrique par contact direct ou par des interfaces conductrices

Les implants orthopédiques modulaires satisfont intrinsèquement à ces conditions sous une charge physiologique normale, augmentant ainsi les risques de défaillance à long terme.

Réactions anodiques et cathodiques dans les combinaisons métalliques utilisées dans les implants orthopédiques

Dans les systèmes titane-acier inoxydable, les réactions d'oxydoréduction caractéristiques incluent :

• Anode (acier inoxydable) : Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
• Cathode (titane) : O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Ce flux d'électrons augmente les taux de corrosion de l'acier inoxydable de 3 à 8 fois par rapport à une utilisation isolée (Reclaru et al., 2001). Les ions hydroxyle résultants élèvent le pH local, favorisant la formation de piqûres secondaires et une réactivité tissulaire au voisinage du site de l'implant.

Le rôle de la série galvanique et de la noblesse des métaux courants en ingénierie dans la conception des implants

La série galvanique classe les métaux selon leur résistance à la corrosion dans des conditions physiologiques :

Les concepteurs minimisent les risques en choisissant des métaux dont les potentiels diffèrent de moins de 100 mV et en exploitant les couches d'oxyde passives. Toutefois, la perturbation mécanique au niveau des jonctions vis-plaque reste un défi persistant dans les systèmes composés de métaux différents.

Risques liés à l'appariement des matériaux dans les systèmes de plaques verrouillables et de vis

Appariements courants de matériaux d'implants et leur compatibilité électrochimique

Lorsque les chirurgiens combinent des plaques en titane avec des vis en acier inoxydable ou en chrome-cobalt, c'est une pratique courante malgré certains problèmes électrochimiques sérieux. En se référant à la série galvanique, on observe une grande différence de tension d'environ 400 à 550 millivolts entre le titane (qui agit comme une cathode) et l'acier inoxydable (qui agit comme une anode). Cela crée des forces électriques puissantes qui déplacent les électrons. Des recherches récentes publiées dans Biomaterials Science en 2023 ont montré que ces combinaisons de matériaux hétérogènes libèrent effectivement des ions métalliques environ trois fois plus rapidement par rapport à l'utilisation d'un seul type de matériau, dans des conditions expérimentales simulant le corps humain. On comprend pourquoi certains hôpitaux commencent à reconsidérer leurs choix d'implants.

Impact du rapport de surface (petite anode par rapport à grande cathode) sur la vitesse de corrosion

Le rapport de surface influence significativement la gravité de la corrosion :

Lorsque l'anode a une surface plus petite que la cathode — par exemple des vis en acier dans une plaque en titane — la densité de courant se concentre au niveau de l'anode, accélérant la dégradation localisée. Cette configuration est conforme aux normes d'essai ASTM F2129, qui montrent une corrosion nettement plus élevée dans les configurations avec petite anode et grande cathode.

Étude de cas : corrosion galvanique entre fixations en acier inoxydable et plaques en titane

Une étude de récupération réalisée en 2022 sur 137 implants rachidiens défaillants a identifié une corrosion par piqûres dans 89 % des interfaces entre vis en acier inoxydable et plaques en titane. La spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie a détecté des dépôts d'oxyde de fer à moins de 5 μm des surfaces en titane, indiquant une dissolution active de l'acier. Les facteurs contributifs principaux comprenaient :

1. Instabilité des couches d'oxyde passif sur les filetages des vis écrouies à froid
2. Infiltration de fluide dans les microfissures maintenant les cellules galvaniques
3. Chargement cyclique perturbant la passivation lors des mouvements du patient

Ces résultats soulignent la nécessité de protocoles stricts en matière de compatibilité électrochimique dans la conception des implants.

Conséquences de la corrosion galvanique sur les performances des implants

Effet de la corrosion galvanique sur la résistance mécanique et la durée de fatigue

Les interactions galvaniques réduisent la résistance à la fatigue jusqu'à 40 % dans les systèmes titane-acier inoxydable (Hodges et al., 2021), principalement en raison de la dégradation électrochimique aux jonctions vis-plaque. Les microfissures résultantes se propagent sous charges cycliques, conduisant souvent à une défaillance mécanique 12 à 24 mois après l'implantation. De fortes concentrations de chlorure (150 mmol/L) dans le liquide synovial accélèrent encore ce processus.

Corrosion sous crévice en orthopédie en tant que facteur aggravant dans les sites de défaillance

La corrosion sous crévice amplifie les effets galvaniques et est présente dans 28 % des chirurgies de reprise impliquant des implants modulaires (Gilbert et al., 2015). Les espaces confinés piègent les fluides corporels, formant des zones appauvries en oxygène qui abaissent le pH à 2,5–3,8—se rapprochant de l'acidité gastrique. Combinée à des micromouvements, cette environnement provoque une perte de matériau pouvant atteindre 0,2 mm/an dans les alliages cobalt-chrome.

Dégradation à long terme et risques de libération d'ions dans les implants multi-matériaux

Lorsque l'activité galvanique persiste pendant de longues périodes, elle entraîne une migration accrue des ions métalliques. Les implants en titane associés à des fixations en acier ont tendance à libérer environ 6 à 8 microgrammes par centimètre carré par semaine d'ions nickel et chrome. Des recherches menées par Sridhar et ses collègues en 2012 ont montré que, à ces concentrations, l'activation des lymphocytes augmente presque quatre fois par rapport aux niveaux normaux, ce qui suscite des inquiétudes quant à d'éventuelles réactions allergiques retardées. Par ailleurs, le processus continu de corrosion attaque la structure de l'implant, entraînant une réduction de l'épaisseur de la plaque comprise entre 15 % et 25 % en seulement cinq ans. Ce type de dégradation représente des risques sérieux pour les implants utilisés dans des zones soumises à des charges, car leur intégrité structurelle est compromise au fil du temps.

Facteurs physiologiques et mécaniques accélérant la corrosion

Rôle des fluides corporels comme électrolyte persistant dans les implants en métaux dissimilaires

Le plasma sanguin et le liquide interstitiel (~0,9 % NaCl) assurent des voies électrolytiques continues entre les métaux dissemblables, permettant un flux de courant ionique ininterrompu. Contrairement à une exposition intermittente dans les environnements industriels, cette conductivité constante maintient une activité galvanique 24 heures sur 24, en particulier dans les tissus vascularisés entourant les implants.

Comment les micro-mouvements et les mouvements articulaires aggravent la corrosion des fixations et des petits composants métalliques

Le stress constant des activités quotidiennes crée de petits mouvements (moins d'un demi-millimètre) là où les os rencontrent les implants, particulièrement perceptibles au niveau des articulations et des dispositifs pour la colonne vertébrale. Ce qui suit est assez intéressant : ces petits mouvements usent en réalité les couches d'oxyde protectrices à la surface de l'implant. En même temps, ils forcent des fluides corporels oxygénés à pénétrer dans ces minuscules espaces entre les composants. Cette combinaison a tendance à accélérer les processus de corrosion de trois à sept fois par rapport à une situation complètement immobile. Cet effet est particulièrement visible dans les pièces modulaires, comme la zone du col des prothèses de hanche. Des études indiquent que ces zones libèrent environ 24 % d'ions métalliques en plus par rapport aux conceptions d'implants massifs et monoblocs, en raison de cet effet combiné de l'usure et de la corrosion.

Réponses inflammatoires augmentant l'acidité locale et le potentiel de corrosion

L'inflammation post-opératoire génère des microenvironnements acides (pH 4–5) par :

1. Production de radicaux libres d'oxygène (ROS) par les phagocytes
2. Acide lactique d'origine macrophagique
3. Hydrolyse des tissus nécrosés

Ces modifications déplacent les potentiels de corrosion de -150 à -300 mV, augmentant considérablement la dissolution anodique. La spectroscopie d'impédance électrochimique montre que les alliages de titane-6Al-4V subissent une progression de la piqûration 18 % plus rapide dans les tissus enflammés par rapport aux conditions de pH neutre.

Stratégies de prévention et d'atténuation pour les implants multi-matériaux

Sélection des matériaux selon la série galvanique et la compatibilité des métaux

Réunir les bons matériaux est vraiment important pour lutter contre les problèmes de corrosion galvanique. Lorsque des ingénieurs choisissent des métaux situés proches l'un de l'autre sur l'échelle électrochimique, comme associer des alliages de titane avec du niobium ou des alliages modifiés au zirconium, ils peuvent réduire les problèmes galvaniques d'environ 60 %. C'est bien meilleur que de placer simplement du titane à côté d'acier inoxydable, selon une étude publiée par Bandyopadhyay et ses collègues en 2023. La dernière version de l'ISO 10993-15 exige de tester ces combinaisons de matériaux dans des environnements qui imitent les conditions présentes dans le corps humain. En pratique, les fabricants doivent trouver des couples de matériaux dont la différence d'électronégativité reste inférieure à 0,25 volt pour respecter les normes. Cela est logique, car des matériaux trop différents tendent à provoquer des réactions chimiques indésirables avec le temps.

Utilisation de l'isolation et de revêtements pour éviter le contact direct entre métaux dissimilaires

Les solutions d'ingénierie de surface interrompt efficacement la continuité électrique. Les revêtements à dépôt de vapeur physique (PVD), tels que le nitrure de titane, réduisent les densités de courant de 89% dans les environnements salins. Les barrières céramiques à base de zirconium bloquent la migration des ions, tandis que les revêtements polymères comme la polyétheréthercétone (PEEK) isolent les fils de vis avec une isolation électrique de 98% sans sacrifier les performances mécaniques.

Optimisation de la conception pour atténuer les conditions de fissure et l'enfermement du fluide

La conception d'implants modernes tire parti de la dynamique des fluides pour éliminer les zones stagnantes. Les motifs de micro-rancements sur les surfaces de plaques réduisent la corrosion des fissures de 40%, et les traitements hydrophiles empêchent la mise en commun de biofluides (ingénierie biomédicale, 2019). Les têtes de vis arrondis et les contours de plaque coniques suppriment encore les points chauds électrochimiques en minimisant les bords tranchants et les espaces.

Surveillance et lignes directrices cliniques pour les configurations d'implants à haut risque

Les médecins suggèrent généralement de vérifier le liquide synovial une fois par an pour les gens qui ont des implants faits de différents matériaux afin que nous puissions garder un œil sur ces ions métalliques flottant. Selon le rapport de consensus de recherche orthopédique 2020, ce n'est pas une pratique intelligente de combiner des plaques de titane avec des vis en cobalt chrome quand elles vont supporter du poids quelque part important. Il devrait y avoir au moins une différence d'un demi-volt entre les métaux qui se touchent à l'intérieur du corps. Et n'oubliez pas les échographies tous les deux ans environ. Ils aident à détecter les signes de corrosion très tôt dans ces joints modulaires avant que les choses ne deviennent vraiment problématiques.

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce que la corrosion galvanique dans les implants?

La corrosion galvanique se produit lorsque des métaux différents dans les implants créent une cellule électrochimique, ce qui entraîne une corrosion plus rapide due au transfert d'électrons entre des métaux moins et plus nobles.

Quelles conditions conduisent à la corrosion galvanique des implants?

Trois conditions sont requises: métaux différents avec une différence de potentiel supérieure à 50 mV, présence d'un électrolyte et contact direct ou interfaces conductrices.

Comment réduire la corrosion galvanique dans les implants multimatières?

L'utilisation de matériaux compatibles, l'utilisation d'isolation et de revêtements, l'optimisation de la conception pour éviter l'enracinement du fluide et le respect des directives cliniques peuvent réduire considérablement les risques de corrosion galvanique.