Corrosion and tribocorrosion study of CoCrMo biomedical alloys

In the past years a considerable increasing number of articles highlighted a growing scientific interest for tribocorrosion studies of biomedical alloys. Considering the increasing patients’ population with orthopaedic implants, clinical implication caused by wear and corrosion of the biomedical alloys has to be considered very relevant for its serious consequences. Although the studies of corrosion and tribocorrosion of CoCrMo alloys have reached a wide knowledge of the phenomena involved, many unknown aspects of the deterioration mechanisms must be cleared in order to minimize the damage inflicted by human body implants. In this thesis the role of some aspects concerning CoCrMo biomedical alloy degradation is investigated. The effects correlated to the presence of cells on the metal surface and to variables such as the contact pressure and the electrochemical potential have been studied. Two existing predictive models were used in order to confirm their validity under the applied experimental conditions. The study was carried out by both corrosion and tribocorrosion experimental techniques. Tribocorrosion tests were performed by using a rotating ball-on-plate system operating under potentiostatic conditions as well as open circuit potential under different loadings. Scanning electron microscopy and confocal microscopy were used for characterizing wear pattern and debris formation. Results show that the cell culture modifies the surface behaviour of the CoCrMo by increasing the OCP toward more anodic potentials. The presence of the cells also reduces the reaction kinetics of the cathodic reaction. This inhibition does not only affect the corrosion, but also the tribocorrosion of the CoCrMo. The experiments confirmed that a minimum contact pressure, correlated with plastic deformation of the metal, is necessary to trigger wear accelerated corrosion. Wear accelerated corrosion due to the mechanical removal of the passive film during sliding acts as a major contribution to the overall degradation. The prevailing electrochemical conditions, in particular at lower applied loads, resulted to affect the tribocorrosion behaviour of this alloy. Model validation highlighted the necessity of further work in order to reach a better approximation of the metals behaviour. Specifically the galvanic coupling model is consistent with the results found in literature, but it does not apply under the investigated tribocorrosion experimental conditions. In this matter the depassivation corrosion mechanisms are still insufficiently understood in sliding contacts and further study is needed.

L’aumento del numero di articoli pubblicati negli ultimi anni sottolinea l’incremento dell’interesse scientifico nei confronti della tribocorrosione delle leghe biomediche. Le implicazioni cliniche causate dal logoramento e dalla corrosione delle leghe biomediche devono essere considerate di estrema rilevanza per le loro serie conseguenze sulla salute dei pazienti. Anche se gli studi di corrosione e tribocorrosione delle leghe al CoCrMo sono riusciti ad analizzare molti aspetti del fenomeno, alcuni meccanismi di deterioramento meccanico devono ancora essere approfonditi per minimizzare i possibili danni causati dagli impianti sul corpo umano. In questa tesi si sono studiati alcuni degli aspetti dell’usura delle leghe biomediche al CoCrMo. In particolare sono stati analizzati gli effetti dovuti alla presenza delle cellule sulla superficie metallica e di altre variabili quali la pressione di contatto ed il potenziale elettrochimico. Due modelli preditivi già esistenti in letteratura sono stati implementati per verificarne la loro validità ed applicabilità nelle condizioni sperimentali di laboratorio. I test sono stati eseguiti con tecniche sperimentali di corrosione e tribocorrosione. I test di tribocorrosione sono stati svolti usando un sistema rotante ball-on-plate in condizioni potenziostatiche e di potenziale di circuito aperto con diversi carichi applicati. La caratterizzazione del logoramento della superficie è stata eseguita con analisi al SEM e al microscopio confocale. I risultati mostrano che la coltura cellulare modifica il comportamento superficiale del CoCrMo spingendo l’OCP verso valori piu anodici. La presenza delle cellule riduce inoltre la cinetica delle reazioni catodiche. Questa inibizione non influisce solo sulla corrosione ma anche sulla tribocorrosione del CoCrMo. Gli esperimenti confermano che esiste una pressione di contatto minima, correlata alla deformazione plastica del metallo, che innesca la corrosione accelerata dal logoramento meccanico. La corrosione accelerata dal logoramento meccanico, dovuta alla rimozione del film passivo durante la rotazione e le sfregamento, è la principale causa dell’usura complessiva. Inoltre il comportamento nella tribocorrosione della lega è fortemente influenzato dalle condizioni elettrochimiche instaurate, in particolare quando si applicano carichi non elevati. La validazione dei modelli preditivi ha messo in evidenza la necessità di dover eseguire ulteriori studi per apprfondire più accuratamente il comportamento del metallo. In particolare la simulazione ottenuta utilizzando il modello galvanico è stata coerente con i risultati trovati in letteratura, ma non è risultata applicabile con adeguata precisione negli esperimenti effettuati di tribocorrosione, soprattutto per la comprensione del meccanismo di depassivazione della superficie.