Les effets de la corrosion du Ti-Cp et du TA6V4 en milieu buccal

Introduction

Par analogie avec la prothèse de remplacement totale de hanche, l'implant dentaire est lui aussi articulé avec des structures supra-implantaires comme les piliers et les couronnes en céramo-métallique ou en céramique. Une corrosion par frottement se produit à cette interface implant-pilier ^[].

Le mouvement mécanique des composants des implants les uns contre les autres entraîne une friction et une usure ^[].

Ces mouvements mécaniques des composants de l'implant les uns contre les autres, couplés aux influences des facteurs biochimiques et électrochimiques locaux dans un milieu biologique, forment la tribocorrosion. L'étude de la tribocorrosion est la tribologie.

Stratégie de recherche

Pour identifier les études éligibles, des recherches PUBMED via MEDLINE ont été effectuées et réalisées avec les mots clés suivants : « corrosion and titanium alloy », « corrosion and titanium implant », « corrosion behavior and titanium alloy », « dental implant aluminium vanadium », « tribocorrosion dental titanium alloy », « corrosion dental implant titanium alloy aluminium vanadium ».

Nous avons filtré par année de recherche où la majorité des articles référencés ont moins de 10 ans. Les articles pertinents ont été sélectionnés grâce aux résumés.

Une autre recherche plus spécifique a ensuite été réalisée avec les mots clés suivants « fluoride – corrosion – titanium – alloy » (90 articles), « fluoride – corrosion – titanium – aluminium – vanadium » (1 article), « pH – corrosion – dental – titanium – alloy » (6 articles). Les articles ont été sélectionnés grâce aux résumés et triés par année. Les bibliographies des articles trouvés ont été étudiées pour compléter cette recherche.

La corrosion des alliages de titane ^{[3, 4]}

La corrosion se définit comme la dégradation d'un matériau par réaction chimique avec un oxydant comme le dioxygène ou le cation hydrogène. Le titane et ses alliages ont la caractéristique d'être résistants à la corrosion. Cette résistance s'explique par la réaction d'oxydation à la surface du titane au contact de l'air ou de l'eau, qui va former instantanément une couche passive d'oxyde de titane de 10 nanomètres. Cette couche d'oxyde croît lentement, pour atteindre 25 nm après 4 ans au contact de l'air ou de l'eau. Celle-ci, très résistante et très adhérente, va protéger le titane du milieu corrosif en limitant les échanges d'électrons entre le métal et l'électrolyte.

La surface du TA6V4 est principalement composée de dioxyde de titane (TiO2) avec de petites quantités d'aluminium dans la configuration du cation trivalent (Al3 +). Le vanadium n'est pas détecté dans les oxydes de surface spontanément formés ^[]. La surface du grade 4 est aussi composée de dioxyde de titane mais sans présence d'aluminium.

Lorsque cette couche d'oxyde de titane est détériorée, les alliages de titane sont susceptibles de se corroder. Ce film d'oxyde est moins protecteur au niveau des imperfections du métal et donc au niveau des joints de cristaux, et au niveau des interfaces αβ. En effet, ces films sont hétérogènes et la texture reflète la microstructure mixte (αβ) du métal sous-jacent. On observe une variation considérable de la teneur en vanadium dans la couche d'oxyde proportionnellement au degré de corrosion du grade 5.

Les principaux paramètres influençant les propriétés de la couche d'oxyde sont le pH, le potentiel de corrosion des électrolytes en présence (ex. : fluor) et les différences de température ^[].

Les diffÉrentEs formes de corrosion

La corrosion inter-cristalline se localise au niveau des joints du cristal, d'autant plus si l'alliage de titane n'a pas été recuit. Cette corrosion peut apparaître en présence d'ions chlorure que l'on retrouve dans les fluides salivaires, le sang et le fluide gingival. Elle est d'autant plus forte si elle est associée à des contraintes résiduelles ou appliquées. C'est ce que l'on nomme la corrosion sous tension ou la corrosion par contrainte.

La corrosion par piqûre des alliages passivables est une corrosion qui se produit lors d'une rupture localisée du film de passivité. C'est un processus immédiat. Elle est aussi produite par des anions, principalement par les ions chlorures, bromures et iodures. Les surfaces concernées par ce phénomène apparaissent rapidement perforées avec des cavités de l'ordre de quelques dizaines de micromètres de diamètre, sans qu'une importante quantité de matière ne soit forcément consommée. Cette corrosion est pH dépendante.

La corrosion par crevasse est un phénomène différé qui nécessite un temps d'incubation relativement long. Elle apparaît dans des endroits où la concentration des ions et gaz dissous est la plus faible, dans des interstices comme à l'interface de l'implant avec sa supra-structure. L'absence de renouvellement du liquide dans les interstices entraîne une désoxygénation du milieu local et une repassivation difficile. Ce phénomène est accentué s'il est associé à un faible pH.

La corrosion galvanique est une corrosion due à la formation d'une pile entre deux métaux différents dans le même environnement. Le métal le plus noble est la cathode et le métal le moins noble est l'anode. Il se crée un courant électrique entre eux avec une corrosion accentuée du métal le moins noble, donc de l'anode. Sutow et al. ^[] montrent que les alliages de titane y sont peu sensibles, sauf entre l'amalgame et le titane. Aucun courant n'a été détecté lorsque des alliages d'or, d'argent ou de chrome-cobalt ont été ajoutés.

L'attaque d'hydrogène se définit comme la réaction de l'hydrogène avec l'aluminium et le vanadium. Il se produit des vésicules de surface. L'hydrogène peut donc fragiliser les métaux réactifs tels que le TA6V4.

La corrosion microbienne apparaît suite à la présence de bactéries s'agglomérant à la surface des matériaux. La production d'acides organiques pendant le déroulement de la glycolyse participe à la corrosion du métal et réduit significativement le pH.

La corrosion du Ti-Cp et du TA6V4

L'implant dentaire est confronté à l'ensemble de ces corrosions, et principalement à la corrosion par piqûre et à la corrosion par crevasse ^[]. Il est intéressant de noter que ces corrosions s'entretiennent entre elles et aggravent le processus général de la corrosion. Ainsi, par exemple, une corrosion par piqûre va altérer la couche d'oxyde permettant l'ouverture d'une zone de fragilité, accentuant une corrosion par contrainte mécanique ou inter-cristalline.

Aucune étude n'a comparé directement les titanes de grade 4 et de grade 5. Seules le Ti-Cp de grade 1 et le TA6V4 ont été comparés dans des études in vitro ^[, ^]. Ces études reproduisent l'environnement du corps humain à l'aide de liquide corporel simulé (SBF), de la solution de Ringer ou de salive artificielle pour le cas des implants dentaires. Le Ti-Cp de grade 1 a un taux de corrosion six fois inférieur à celui du TA6V4 ^[]. Il perd environ 2,5 nm de matière par an alors que le TA6V4 perd environ 16 nm de matière par an.

Le Ti-Cp de grade 1 est plus résistant à la corrosion que le TA6V4. La structure biphasée du TA6V4 qui le rend moins résistant à la corrosion peut expliquer cette différence avec la présence d'un biofilm hétérogène entre les phases αβ et phases α.

Les propriétés du Ti-Cp de grade 1 et de grade 4 étant proches, il est possible de supposer que le Ti-Cp de grade 4 est plus résistant à la corrosion que le TA6V4.

D'après la littérature, le taux de corrosion acceptable pour un implant est d'environ 0,13 mm/an soit 130 nm par an. Le Ti-Cp et le TA6V4 sont donc des matériaux validés par des agences de veille sanitaire comme la Food and Drug Administration (FDA).

Il est difficile de comparer les corrosions in vivo du TI-Cp de grade 4 et du TA6V4 car celles-ci dépendent de différents facteurs comme les variations de pH et de température. Des différences existent aussi sur la qualité des alliages. Les implants testés n'ont pas les mêmes états de surface, ni les mêmes méthodes de traitements. De plus, chez l'homme, les implants sont rarement explantés pour une analyse détaillée.

Pour s'approcher au mieux de la compréhension du phénomène de corrosion in vivo et a fortiori dans le milieu buccal, on doit s'intéresser à la tribocorrosion.

La tribologie

La tribologie est l'étude de l'effet combiné des facteurs mécaniques, biochimiques et électrochimiques. Elle permet de quantifier la tribocorrosion, c'est-à-dire le processus conduisant à la dégradation et à l'usure des matériaux métalliques sous l'action combinée du frottement et de la corrosion par un milieu environnant agressif.

La tribologie d'un dispositif implanté dans la cavité buccale dépend de la fonction manducatrice du patient et est affectée par des variables telles que :

– la charge et la fréquence des sollicitations mécaniques sur l'implant ;

– les compositions chimiques et les propriétés de surface des composants de l'implant ;

– les variations de pH de la salive (5,2 à 7,8) et les variations de température en fonction de l'alimentation et des reflux gastro-œsophagiens ;

– les concentrations en chlorure, composés azotés et protéines contenues dans le sang et le fluide gingival ;

– la présence de sang, électrolyte sévère, qui interagit d'abord avec l'implant lors du forage et de la mise en place de l'implant. Il peut agir secondairement après mise en charge s'il y a présence d'une mucosite ou d'une péri-implantite ;

– les concentrations de protéines, de fluor dans l'environnement ;

– la présence de cellules de l'immunité et de bactéries à la surface implantaire.

Le comportement corrosif de deux implants strictement identiques sera le même pour une même expérience in vitro. In vivo, le comportement tribocorrosif des mêmes implants sur deux patients ou deux sites différents sera distinct. On parle donc de corrosion pour un comportement in vitro et de tribocorrosion pour un comportement in vivo (^fig. 1).

LibÉration d'aluminium et de vanadium des alliages TA6V4

La libération du vanadium est associé au comportement électrochimique et mécanique du film d'oxyde de surface. Le film de surface sur le TA6V4 contient du dioxyde de titane, une petite quantité d'oxyde d'aluminium (Al2O3), des groupes hydroxyles et de l'eau liée. Le vanadium n'est pas un constituant du film de surface initial du TA6V4. Sa présence est provoquée par des changements dans la formation de la couche d'oxyde suite à la corrosion. Ainsi, on observe une variation considérable de la teneur en vanadium dans la couche d'oxyde, proportionnelle au degré de corrosion du TA6V4 ^[].

Dans la littérature orthopédique, les concentrations libérées d'ions aluminium et de vanadium retrouvées dans le sang sont inférieures au seuil de toxicité, c'est-à-dire moins de 10 μg/L de sang pour l'aluminium et moins de 2 μg/L de sang pour le vanadium. Néanmoins, la prothèse de remplacement de hanche est dans un milieu fermé.

La cavité buccale, qui est un milieu ouvert et septique, peut entraîner une libération d'ions plus importante qu'un milieu fermé. Les alternatives qui permettent d'étudier la libération ionique présentent des degrés d'incertitude et des difficultés méthodologiques. L'analyse de fluides biologiques, tels que la salive, présente des difficultés fondamentales liées à l'échantillonnage momentané de la salive, aux divers taux de sécrétion chez les individus participant à l'étude, et à l'incapacité d'étudier l'effet additif de la libération ionique sur une longue période.

L'absence d'un schéma continu de surveillance des concentrations de métaux salivaires en temps réel est un obstacle important à la définition du taux de libération des métaux in vivo. En effet, il faut intégrer la dimension du temps dans l'évaluation du potentiel de libération des alliages ^[].

Les faibles pourcentages d'atomes de vanadium et d'aluminium contenus dans l'alliage sont potentiellement toxiques en raison de leur libération suite à un phénomène tribocorrosif. La toxicité peut être locale au contact immédiat des implants, ou systémique en passant dans la circulation sanguine.

Pour comprendre au mieux les phénomènes de tribocorrosion sur un implant dans la cavité buccale, il faut étudier de façon dissociée les principaux paramètres de la cavité buccale influençant la corrosion de l'alliage, c'est-à-dire le fluor, le pH et le contact avec les lipopolysaccharides.

Facteurs influençant la tribocorrosion des alliages de titane

Le fluor

Le comportement corrosif du Ti-Cp et du TA6V4 étudié dans la salive artificielle est significativement affecté par la présence d'ions fluorure ^[]. Le fluor a la propriété unique de pouvoir dissoudre presque tous les oxydes inorganiques et donc de pouvoir dissoudre la couche de dioxyde de titane. La dissolution du titane en présence de fluor est due à la formation du complexe fluorure de titane (TiF), qui forme des sels solubles avec des métaux alcalins ^[].

La corrosion est observée à partir d'une concentration de fluor de 100 ppm et elle est démultipliée à 1000 ppm ^{[, ]} (^{fig. 2} et ³).

Les ions fluorures n'altèrent pas forcément la reformation de la couche d'oxyde sur la surface des implants, même à des concentrations élevées ^{[, ]}. Lorsqu'il existe d'autres paramètres comme un pH acide, une surcharge mécanique avec des zones de frottements, ou des interactions moléculaires importantes, le fluor agit comme un catalyseur de la corrosion même à des concentrations inférieures à celles de nos utilisations biquotidiennes de prévention.

Le pH

Le titane de grade 5 ne présente pas d'altérations significatives avec la modification du pH, ni de corrosion par piqûre ^[].

Le pH a une incidence sur la tribocorrosion mais n'est pas suffisant pour que le phénomène de tribocorrosion se produise ^[]. Il faut la convergence de plusieurs facteurs : une surface de frottement dans un environnement confiné ou propice aux interactions biochimiques, des fluctuations de pH et la présence d'électrolyte comme le fluor. Néanmoins, le processus de passivation dans une solution acide semble être plus difficile. Il existe une tendance à la formation d'une couche d'oxyde plus irrégulière ou poreuse ^[].

Les lipopolysaccharides

Selon la définition de la tribologie, les bactéries font partie intégrante du processus tribologique en participant à des interactions biochimiques à la surface des implants. Elles sont la source d'une corrosion bactérienne.

Le lipopolysaccharide est un composant essentiel de la face externe de la membrane externe des bactéries Gram négatif. C'est une endotoxine pyrogène. C'est donc un élément constituant des bactéries anaérobies que l'on peut retrouver sur la surface implantaire comme Porphyromonas Gingivalis.

rÉpercussions cliniques

Le praticien peut limiter l'impact de la tribocorrosion sur des implants en diminuant les interactions mécaniques, chimiques et biologiques.

Pour limiter la corrosion, il faut un contrôle rigoureux du traitement thermique de l'alliage et la nécessité d'un recuit. Le praticien devrait pouvoir s'assurer auprès du fabricant des propriétés électrochimiques et des procédés de fabrication de l'alliage. D'après la directive européenne 93/42/CEE, il s'agit d'une prescription engageant la responsabilité du praticien.

L'implant est soumis à des sollicitations mécaniques régulières et la connexion implant-pilier peut être comparée à une articulation coxo-fémorale prothétique. Elle présente un microgap propice à la pénétration bactérienne et ionique. Cela nous amène à nous questionner sur l'utilisation d'une connectique interne ou externe.

Les connexions internes présenteraient les meilleures propriétés. Les micromouvements sont moindres et le joint implant/pilier est de meilleure qualité que pour une connexion externe. Depuis l'utilisation du Ti-Cp ou du TA6V4, ce type de connexion ne fragilise plus le col implantaire, lorsque le diamètre de l'implant est suffisant face aux contraintes exercées.

Néanmoins, les connexions externes sont plus précises et il n'y a pas d'incertitude quant au positionnement du pilier. Des études doivent être menées pour pouvoir conclure à la supériorité d'un type de connexion sur la résistance à la tribocorrosion, ce qui n'est pas le cas aujourd'hui.

La position « bone level » ou « tissue level » de l'implant conditionne la jonction implant/pilier, et celle-ci a son importance sur la tribocorrosion. Le déplacement de la jonction implant/pilier de manière supra-crestale réduit la perte osseuse péri-implantaire ^[]. Une plus grande quantité de cellules inflammatoires a été observée dans les cas de placements d'implants sous-crestaux. Une position plus apicale du microgap prédisposerait à un environnement bactérien anaérobie, qui favoriserait une composition bactérienne plus agressive et augmenterait ainsi la corrosion bactérienne. L'organisme se mettrait à distance de cet amas bactérien néoformé, en recréant un espace biologique plus apical, associant une résorption osseuse. Cependant, la relation exacte n'est pas à ce jour connue et plusieurs études ont montré une résorption plus élevée pour des implants « tissue-level ». Aujourd'hui, il n'est donc pas possible de conclure sur le choix de la position, « tissue-level » ou « bone-level », de l'implant pour limiter le facteur tribocorrosif.

L'axe implantaire doit être ajusté pour que les forces masticatoires soient les plus axiales possibles. L'axe implantaire doit se trouver dans la surface fonctionnelle, c'est-à-dire au niveau de la table occlusale. L'occlusion doit être réglée de façon équilibrée, sans prématurité ni interférence au regard des implants. Lorsque le patient présente des troubles parafonctionnels tels que le bruxisme par exemple, une orthèse de libération occlusale peut être réalisée, accompagnée de thérapeutiques comportementales de gestion du stress et d'exercices de kinésithérapie maxillo-faciale de relaxation musculaire.

Le brossage biquotidien avec les moyens de préventions actuels provoque sur la surface implantaire une action abrasive due aux brins de la brosse à dents et une action chimique par l'apport de fluor, qui devient très corrosif à des concentrations supérieures à 1000 ppm.

La prescription d'une brosse à dents à poils souples avec une technique de brossage douce sur la zone implantaire devrait être enseignée au patient.

La balance bénéfice/risque est à évaluer avant de prescrire des gouttières fluorées chez des patients porteurs d'implants.

Il est prudent de limiter l'usage de vernis fluorés lorsque les implants sont adjacents aux dents traitées ou susceptibles d'être exposés à une dose à haute teneur en fluor.

Une brossette interdentaire calibrée serait moins traumatique que le fil dentaire.

Une maintenance parodontale et péri-implantaire est nécessaire pour limiter la corrosion bactérienne, la corrosion électrochimique et l'exposition des spires de l'implant dans la cavité buccale à la suite d'une maladie péri-implantaire active. L'utilisation d'un ultrason carbone ou d'un aéropolisseur est à conseiller pour éviter de détériorer la surface implantaire. La diminution de l'inflammation péri-implantaire permet une réduction du saignement gingival et de la sécrétion du fluide gingival, qui sont deux paramètres influençant la corrosion.

Enfin, des conseils alimentaires et de prévention peuvent être donnés pour limiter les trop grandes variations de pH : limiter la consommation des boissons acides, surtout si la prise est suivie rapidement d'un brossage des dents. On a alors la convergence des facteurs de risque : pH faible, fluor à concentration élevée et action mécanique. La prévention des reflux gastro-œsophagiens via une consultation auprès d'un gastro-entérologue est aussi à recommander (^tableau 1).

Conclusion

Comprendre l'effet synergique de la corrosion mécanique et chimique des alliages de titane est nécessaire pour améliorer nos pratiques. D'autres études plus poussées doivent être menées pour mieux comprendre le mécanisme tribocorrosif. Les protocoles actuels ne sont pas identiques, les études sont peu comparatives et ne reflètent pas le milieu buccal.

Il n'existe pas de preuve avérée de la supériorité en matière de résistance à la tribocorrosion entre le grade 4 et le grade 5. Ils présentent les mêmes facteurs de risque à la tribocorrosion : les variations de pH, les microtraumatismes mécaniques répétés, les interactions protéiniques et biochimiques avec les ions fluorures. Cependant, les ions relargués sont différents. Il convient de savoir si le relargage des ions du TA6V4 engendre une toxicité locale péri-implantaire plus importante que ceux du Ti-Cp.

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Michael Fontugne
Diplômé de l'université Paris-Descartes
Groupe hospitalier Charles-Foix/Pitié-Salpêtrière

Philippe Tramba
MCU Paris-Descartes
Groupe hospitalier Charles-Foix/Pitié-Salpêtrière

Radhia Benbelaïd
MCU Paris-Descartes
Groupe hospitalier Charles-Foix/Pitié-Salpêtrière

les auteurs déclarent n'avoir aucun lien d'intérêts concernant cet article.