Functional doping of plasma electrolytic oxidation coating on titanium for biomedical applications

Titanium and its alloys are widely employed in the biomedical field. However, they present certain limitations related to the lack of osseointegration and the occurrence of infections, which represent the main causes of implants failure. In the past decades, several surface modification strategies have been developed to both improve the interaction between prosthesis and bone and to prevent bacterial proliferation. Among these, one of the most promising is plasma electrolytic oxidation (PEO), an electrochemical treatment that not only promotes the growth of the natural superficial oxide film of titanium, but also allows the incorporation of ions from the electrolyte within the film, improving its osseointegrative and/or antibacterial capabilities. In this work, the influence of the electrolyte solution and electrical parameters on the properties of PEO coatings was investigated. In particular, three different types of solution and various dopants were studied, in the presence or absence of a chelating agent. The feasibility of the process and the quality of the resulting film in terms of morphology and chemical composition were then assessed. The results show that dopant internalisation is greater under alternate current conditions than in direct current, suggesting the contribution of active transport of cations from the electrolyte during the cathodic phase. It was also pointed out that a longer duration of the cathodic phase appears to be more effective than increasing its amplitude compared to the anodic one. Finally, the presence of chelating agent appears to further promote internalisation. Heat treatments following the PEO process caused an increase in the rutile content of the coating, in particular by making this phase predominant above 800°C, but also caused cracking due to the different thermal expansion coefficient between the oxide and titanium. In particular, for barium-containing coatings, the possibility of forming barium titanates with piezoelectric properties was found to be strongly dependent on the % Ba content in the oxide.

Il titanio e le sue leghe sono ampiamente utilizzati in ambito biomedico. Tuttavia, essi presentano alcuni limiti legati alla mancata osteointegrazione e all’insorgere di infezioni, che rappresentano le maggiori cause di fallimento degli impianti. Negli ultimi decenni sono state sviluppate diverse strategie di modifica superficiale al fine sia di migliorare l’interazione tra protesi e osso che di ostacolare la proliferazione batterica. Tra queste, una delle più promettenti è l’ossidazione elettrolitica al plasma (PEO), trattamento elettrochimico che, oltre a favorire la crescita del naturale film di ossido superficiale del titanio, permette di inglobare ioni presenti nell’elettrolita all’interno del film, migliorandone le capacità osteointegrative e/o antibatteriche. In questo lavoro è stata indagata l’influenza della soluzione elettrolitica e dei parametri elettrici sulle proprietà di rivestimenti ottenuti con tecnica PEO. In particolare, sono state studiate 3 diverse tipologie di soluzione e vari elementi dopanti, in presenza o assenza di un chelante. E’ stata quindi valutata la fattibilità del processo e la qualità del film risultante in termini di morfologia e composizione chimica. I risultati mostrano che l’internalizzazione dei dopanti è maggiore in condizioni di corrente alternata rispetto che in corrente continua, suggerendo il contributo di un trasporto attivo dei cationi dall'elettrolita durante la fase catodica. È stato inoltre evidenziato come una maggiore durata della fase catodica appaia più efficace rispetto all’aumento della sua ampiezza rispetto alla fase anodica. Infine la presenza di chelante sembra favorire ulteriormente l’internalizzazione. I trattamenti termici successivi al processo PEO hanno causato un aumento del contenuto di rutilo nel rivestimento, in particolare rendendo tale fase predominante oltre gli 800°C, ma hanno anche causato la formazione di cricche per via del diverso coefficiente di dilatazione termica dell’ossido rispetto al titanio. In particolare, per i rivestimenti contenenti bario la possibilità di formare titanati di bario con proprietà piezoelettriche è risultata fortemente dipendente dal contenuto % di Ba nell’ossido.