5. Plastic deformation influence on the degradation behavior of Fe-12Mn-1.2C in Hanks’ modified solution
6.1. Influence des différents facteurs sur le comportement à la dégradation
6.1.1. Composition des solutions pseudo-physiologiques
L’influence de la composition chimique des solutions pseudo-physiologiques sur le comportement à la dégradation des alliages Fe-Mn-C à effet TWIP a fait l’objet du chapitre 3. Les solutions utilisées pour les essais in-vitro sont dites pseudo-physiologiques car ce sont des solutions dont la composition chimique, le pH et la température ressemblent au plasma sanguin qui est le composant liquide du sang. Il représente 55 % du volume total du sang et sert à transporter les cellules sanguines et les hormones à travers le corps. Il est essentiellement constitué d’eau (91%) et de substances dissoutes qui sont les ions (Na+, K+, Mg2+, Ca2+,
HCO3-, HPO42-/H2PO4-, SO42-…), les solutés organiques tels que les nutriments (lipides, glucides et acides
aminés), les protéines, les déchets métaboliques et les hormones. Le choix de la composition chimique de la solution pseudo-physiologique va principalement dépendre du lieu d’implantation du matériau et des études in-
vitro que l’on veut effectuer. Des solutions simples contenant essentiellement des sels minéraux en
concentration semblable à celle du plasma sanguin peuvent être utilisées tout comme des solutions beaucoup plus complexes comme les milieux de culture. En effet, les milieux de culture contiennent un mélange complexe d’acides aminés, de glucose, de sels minéraux, de vitamines, des nutriments et parfois aussi des additifs protéiques tels que les facteurs de croissances. Le Tableau 6.1 donne un aperçu de quelques solutions pseudo-physiologiques communément utilisées pour les essais de dégradation in-vitro. La nature des ions ou d’autres composants ainsi que leurs concentrations respectives varient d’une solution à une autre. Certaines solutions énumérées dans le Tableau 6.1 telles que le r-SBF ( revised-simulated body fluid) et le i- SBF (ionized simulated body fluid) ont étés préparées dans le but d’avoir une composition chimique en ions dissout égale à celle du plasma dans ses diverses formes [167].
Toutefois ces deux solutions ont montré leur limite quant à leur capacité à maintenir le pH constant au-delà de 14 jours de conservation à la température de 36,5 °C. En effet après 14 jours la concentration des ions HCO3-
commence par diminuer entrainant une augmentation du pH. Pour maintenir le pH constant sur une longue période, la concentration des ions HCO3- a été abaissé entre 4,2 et 10 mmol/L pour obtenir respectivement les
solutions c-SBF (conventional simulated body fluid) et m-SBF (modified simulated body fluid) [167]. Les solutions c-SBF et m-SBF diffèrent entre elles non seulement par leur concentration en ions HCO3- mais aussi
par celle en ions Cl-. En effet la concentration en ions Cl- de la solution c-SBF est plus élevée (147,8 mmol/L)
que celle de la solution m-SBF (103 mmol/L égale à celle du plasma). La solution c-SBF est utilisée dans les tests de corrosion alors que celle de m-SBF est plus appropriée pour étudier la formation de l’apatite sur des implants servant de support pour la régénérescence des os [168]. La solution de c-SBF généralement utilisée pour les tests de corrosion maintient bien le pH de la solution mais sa concentration en ions HCO3-est trop
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faible (4,2 mmol/L) et celle en ions Cl- trop élevée (147,8 mmol/L) comparée à celle du plasma sanguin. Pour
étudier la dégradation in-vitro trois autres types de solutions ont été choisies dont voici les différentes compositions et propriétés: la solution de DPBS (Dulbecco’s phosphate-buffered saline) ne contient ni les ions calcium (Ca2+) ni magnésium (Mg2+) ni le rouge de phénol. Utilisée dans la culture cellulaire des mammifères
la présence d’une concentration élevée d’ions phosphates (9,6 mmol/L) lui donne un pouvoir tampon qui lui permet de maintenir le pH dans l’intervalle 7,2-7,4 semblable à celui du milieu physiologique.
Tableau 6.1 : Composition chimique de quelques solutions pseudo-physiologiques communément utilisées pour les tests de dégradation in-vitro
Milieu physiologique ou
pseudo-physiologique Plasma NaCl MH CH DPBS c- SBF r- SBF i- SBF m- SBF E-MEM Ions (mmol/L) Na+ 142 125 121 142 153 142 142 142 142 151 K+ 5 - 4,4 5,8 4.2 5 5 5 5 5,4 Ca2+ 2.5 - 0,9 - - 2,5 2,5 1,6 2,5 1,8 Mg2+ 1,5 - 0,6 - - 1,5 1,5 1 1,5 0,8 Cl- 103 125 100 142 139 148 103 103 103 125 HCO3- 27 - 27 4,2 - 4.2 27 27 10 26,2 HPO42- 1 - 0,5 0,8 9,6 1 1 1 1 0,89 SO42- 0,5 - 0,8 - - 0,5 0,5 0,5 0,5 0,81 Autres Composés Phénol rouge (g/L) - - - 0,0 1 - - - - 0,1 D-glucose (g/L) 600-1200 - 0,7 1 - - - 1 Glutamine (g/L) nd - - - 1 Aminoacid e (mg/L) nd - - - 0,86 Protéines (g/L) 63-80 - - - 1 - - - - -
Le DPBS est souvent utilisé comme solution tampon, elle ne contient pas d’ions HCO3- et à une concentration
en ion Cl- plus élevée que celle du plasma. Cependant la concentration élevée des ions phosphates dans la
solution de DPBS permet de maintenir constant le pH de la solution, cependant elle entraine une passivation de la surface des échantillons induite par les composés phosphatés présents en grande quantité comme démontré lors des tests de dégradation statique (Figure. 3.5). Ces composés phosphatés adhèrent à la surface du matériau formant ainsi une couche épaisse qui empêche par la suite toute évolution du phénomène
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de corrosion surtout lorsque le test est effectué dans les conditions statiques (Voir les résultats du Chapitre 3). La deuxième solution utilisée est la solution de Hanks’ commerciale. Elle a une composition semblable à celle de c-SBF mais elle ne contient pas d’ions Ca2+ ni de Mg2+.Elle contient le rouge de phénol comme indicateur
de pH contrairement à la solution de c-SBF avec du tris hydroxomethyl aminométhane (TRIS) utilisé comme agent tampon. Elle possède une concentration en ions chlorure et carbonate plus élevée que celle présente dans le plasma sanguin. La solution de Hanks’ modifiée, préparée par dilution de la solution de Hanks modifiée du commerce (H1387 Sigma-Aldrich Canada) permet de diminuer la concentration des ions chlorures (Cl-) qui à l’origine est plus élevée que celle du plasma sanguin. Après dilution la concentration en
ions carbonates est ajustée par l’ajout du bicarbonate de sodium (NaHCO3) pour atteindre celle du plasma
sanguin. Par contre, sa concentration en ions Ca2+ et HPO42- est plus faible que celle du plasma, pour ralentir
la formation de l’apatite. Contrairement à la solution de Hanks’ commerciale, cette dernière ne contient pas de rouge de phénol. La régulation du pH est maintenue par l’ajout d’HEPES qui joue le rôle de tampon. De plus l’HEPES possède une grande capacité tampon dans la zone de pH allant de 7,2 à 7,4.