Tribocorrosion Performance of TiAlN and AlTiN Coatings on Ti6Al4V in Artificial Saliva: Influence of Mechanical and Electrochemical Responses
Sebbene i rivestimenti AlTiN abbiano dimostrato proprietà meccaniche superiori, i rivestimenti TiAlN hanno esibito una migliore resistenza complessiva alla tribocorrosione nella saliva artificiale grazie a una minore attivazione elettrochimica e a un comportamento di attrito più stabile, risultando nel tasso di usura più basso.
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All'interno della bocca umana, un complesso dramma chimico e meccanico si consuma ogni volta che parliamo, masticiamo o deglutiamo. I materiali utilizzati per sostituire i denti danneggiati o riparare le ossa della mascella devono sopravvivere a un ambiente ostile: uno spazio caldo e umido, pieno di sale, acidi e attrito costante. Tra i materiali più comuni per questi impianti medici c'è una specifica lega di titanio nota come Ti6Al4V. È forte, leggera e generalmente compatibile con il corpo umano, ma presenta un punto debole. Come molti metalli, può usurarsi quando viene sfregata contro altre superfici e, in presenza di saliva, questa usura accelera. La saliva agisce come un elettrolita, un liquido che conduce elettricità, il che significa che man mano che la superficie metallica viene graffiata e danneggiata, inizia anche a corrodersi. Questo doppio attacco, in cui l'usura meccanica e la corrosione chimica si alimentano a vicenda, è chiamato tribocorrosione. Può causare il degrado degli impianti più velocemente del previsto, rilasciando particelle nel corpo e portando potenzialmente al fallimento dell'impianto. Per fermare questo fenomeno, gli scienziati spesso rivestono queste parti metalliche con strati sottili e duri progettati per fungere da scudo. Ma un nuovo studio suggerisce che lo scudo più duro non è sempre il migliore quando l'ambiente è umido e salino.
I ricercatori si sono posti l'obiettivo di testare due tipi popolari di rivestimenti protettivi sulla lega di titanio: uno ricco di titanio e alluminio, e un altro con una proporzione maggiore di alluminio. Volevano vedere quale rivestimento avrebbe retto meglio in un liquido che imita la saliva umana. Il team ha preparato dischi lisci e lucidati della lega di titanio e li ha ricoperti con questi film sottili utilizzando un processo ad alta energia che vaporizza il materiale e lo deposita sulla superficie. Hanno poi inserito i campioni in una macchina che faceva scorrere avanti e indietro una piccola sfera di ceramica sopra il rivestimento mentre era immersa nella saliva artificiale. Durante il test, hanno misurato quanta forza fosse necessaria per far scorrere la sfera, come cambiava il potenziale elettrico della superficie e quanto materiale veniva infine consumato. Hanno anche utilizzato potenti microscopi per osservare le cicatrici lasciate sulla superficie dopo che lo sfregamento era terminato.
I risultati sono iniziati con una sorpresa che sfida un'assunzione comune nella scienza dei materiali. Il rivestimento ricco di alluminio si è dimostrato lo scudo meccanico superiore, essendo significativamente più duro dell'altro rivestimento e capace di resistere a una pressione maggiore prima di incrinarsi o staccarsi. Tuttavia, la storia è cambiata completamente una volta che i campioni sono stati immersi nel liquido salino. In queste condizioni umide e corrosive, il rivestimento più duro, ricco di alluminio, si è effettivamente consumato più velocemente del rivestimento leggermente più morbido, ricco di titanio. Il rivestimento ricco di titanio, nonostante fosse meccanicamente più debole nei test standard, ha perso la minore quantità di materiale complessiva.
La chiave di questa differenza risiedeva nel modo in cui i rivestimenti reagivano alla combinazione di sfregamento e attacco chimico. Mentre la sfera di ceramica scivolava sulla superficie, raschiava via lo strato protettivo, esponendo metallo fresco alla saliva. Questa esposizione ha causato un improvviso calo della stabilità elettrica della superficie, un segno che la corrosione era iniziata. Il rivestimento ricco di alluminio ha subito un calo maggiore della stabilità e ha faticato a mantenere intatto un film protettivo durante lo scorrimento. Al contrario, il rivestimento ricco di titanio ha mantenuto uno stato elettrico più stabile, suggerendo che fosse più bravo a mantenere in posizione uno strato protettivo anche durante lo sfregamento. Quando i ricercatori hanno esaminato le tracce di usura al microscopio, hanno scoperto che la superficie ricca di titanio aveva mantenuto un film continuo e chimicamente modificato che sembrava proteggere il metallo sottostante. La superficie ricca di alluminio, invece, mostrava segni che questo film protettivo era discontinuo e in gran parte rimosso, lasciando il metallo vulnerabile agli ioni aggressivi della saliva.
Questa scoperta evidenzia una lezione cruciale per la progettazione di impianti medici. Lo studio dimostra che rendere un rivestimento semplicemente più duro non garantisce che durerà più a lungo nel corpo umano. Nell'ambiente umido e salino della bocca, la capacità di una superficie di mantenere la propria stabilità chimica e di riparare il proprio film protettivo durante lo sfregamento è più importante della durezza pura. Il rivestimento ricco di titanio ha avuto successo perché è riuscito a sostenere una barriera resiliente che resisteva sia allo scraping fisico che all'attacco chimico della saliva. Il rivestimento ricco di alluminio, pur essendo più resistente in senso secco, non è riuscito a mantenere questa barriera una volta che il processo di corrosione è stato innescato. I ricercatori hanno concluso che, per applicazioni in saliva artificiale, il rivestimento ricco di titanio offre la migliore protezione contro la perdita di materiale, dimostrando che lo scudo migliore per il corpo umano non è necessariamente quello più duro, ma quello che riesce a sopravvivere meglio alla battaglia chimica dell'ambiente umido.
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