Fretting corrosion between bone and calcium phosphate-calcium titanate coatings

Abstract

Biocompatibility is one of the biggest challenges for biomaterials development. This issue arises in the case of coatings. Calcium phosphate (CP) coatings are currently used to cover femoral stem implants, while calcium titanate (CT) has also been proposed as a coating for biomedical applications due to its good biocompatibility and osteoconductivity. However, its behavior under fretting corrosion conditions, one of the degradation mechanisms of hip joint implants, has not been studied. In this work, tribocorrosion behavior of calcium phosphate - calcium titanate coatings obtained by Radio Frequency (RF) magnetron sputtering onto AISI 304 stainless steel was evaluated. The coatings were deposited in 100%CP-0%CT, 75%CP-25%CT, 50%CP-50%CT, 25%CP-75%CT and 0%CP-100%CT volume proportions. An electrochemical cell integrated with a ball-on-flat reciprocating tribometer was used to investigate the performance of the coatings under fretting conditions against bone in Hank´s solution at 37 °C. The suitability of three specific coating compositions for the protection of AISI 304 stainless steel, based on their hardness, non-conductive nature and absence of a passive layer, was demonstrated by open circuit potential measurements. It was concluded that 75CP-25CT and 0CP-100CT coatings are potential materials for bone tissue replacement and regeneration.

La biocompatibilidad es uno de los mayores desafíos para el desarrollo de biomateriales. Esta cuestión surge en el caso de los revestimientos. Los recubrimientos de fosfato de calcio (CP) se utilizan actualmente para recubrir implantes de vástago femoral, mientras que el titanato de calcio (CT) también se ha propuesto como recubrimiento para aplicaciones biomédicas debido a su buena biocompatibilidad y osteoconductividad. Sin embargo, no se ha estudiado su comportamiento en condiciones de corrosión por contacto, uno de los mecanismos de degradación de los implantes de cadera. En este trabajo se evaluó el comportamiento a la tribocorrosión de recubrimientos de fosfato de calcio - titanato de calcio obtenidos por magnetrón de radiofrecuencia (RF) sobre acero inoxidable AISI 304. Los recubrimientos se depositaron en proporciones de volumen de 100 % CP-0 % CT, 75 % CP-25 % CT, 50 % CP-50 % CT, 25 % CP-75 % CT y 0 % CP-100 % CT. Se utilizó una celda electroquímica integrada con un tribómetro alternativo de bola plana para investigar el rendimiento de los recubrimientos en condiciones de fricción contra el hueso en solución de Hank a 37 °C. La idoneidad de tres composiciones de revestimiento específicas para la protección del acero inoxidable AISI 304, en función de su dureza, naturaleza no conductora y ausencia de una capa pasiva, se demostró mediante mediciones de potencial de circuito abierto. Se concluyó que los recubrimientos 75CP-25CT y 0CP-100CT son materiales potenciales para el reemplazo y la regeneración del tejido óseo.