Les matériaux utilisés en biomédecine doivent être caractérisés par une biodégradabilité contrôlée, force suffisante et absence totale de toxicité pour le corps humain. La recherche de tels matériaux est, donc, pas une tâche simple. Dans ce contexte, les scientifiques s'intéressent depuis longtemps au magnésium. Récemment, en utilisant des techniques telles que la spectroscopie d'annihilation de positons, les chercheurs ont pu démontrer que le magnésium soumis à un traitement d'attrition mécanique de surface obtient les propriétés nécessaires à un matériau biocompatible.

Les matériaux présentant une vitesse de corrosion contrôlée suscitent de plus en plus d'intérêt. Cela s'applique en particulier à la biomédecine, où des implants en polymères naturels ou synthétiques sont utilisés. Leur avantage est que la vitesse de décomposition peut être facilement ajustée dans des conditions physiologiques. D'autre part, les propriétés mécaniques de ces matériaux sont détériorées dans l'environnement du corps humain, ce qui les rend impropres aux applications soumises à de fortes contraintes. Pour cette raison, les implants métalliques à base de magnésium totalement inoffensifs pour le corps humain semblent être une bonne option.

Le magnésium est le métal le plus léger pouvant être utilisé dans les applications structurelles. En raison de sa mécanique, les propriétés thermiques et électriques ainsi que la biodégradabilité et la vitesse de corrosion contrôlée, il suscite un grand intérêt chez les chercheurs travaillant sur les implants biocompatibles. Malgré ces avantages, l'utilisation du magnésium comme biomatériau pour la production d'implants n'a pas été facile en raison du taux de corrosion relativement élevé dans l'environnement du corps humain. Cependant, ce problème peut être surmonté en utilisant des revêtements appropriés.

Au cours de nombreuses années de recherche, il a été remarqué que la microstructure à grain fin des matériaux améliore non seulement leurs propriétés mécaniques mais peut également augmenter considérablement la résistance à la corrosion. C'est pourquoi une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Ewa Dryzek de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie s'est fixé pour objectif de quantifier l'impact du traitement d'attrition mécanique de surface (SMAT) du magnésium de qualité commerciale sur son résistance à la corrosion. Dans cette méthode, un grand nombre de billes en acier inoxydable de quelques millimètres de diamètre heurtent la surface du matériau cible, provoquant une déformation plastique de la couche souterraine. La déformation plastique s'accompagne de la production d'un grand nombre de défauts du réseau cristallin.

Techniques de recherche typiques telles que la microscopie optique et électronique, Diffraction des rayons X (XRD), diffraction par rétrodiffusion d'électrons (EBSD), et des mesures de microdureté ont été utilisées pour décrire la microstructure.

"L'examen microscopique a révélé une microstructure en évolution progressive de la couche de surface du matériau, formé pendant le traitement SMAT. Nous avons observé un affinement considérable du grain à proximité de la surface traitée. Des déformations jumelles étaient visibles plus profondément, dont la densité diminue avec l'éloignement de cette surface, " explique le Pr Dryzek.

Dans le cadre de ce travail, la spectroscopie d'annihilation de positons (PAS) a été utilisée pour la première fois. La technique est non destructive et permet d'identifier les défauts du réseau au niveau atomique. Elle consiste dans le fait que lorsque des positons sont implantés dans un échantillon de matériau et rencontrent leurs antiparticules, c'est-à-dire des électrons, ils s'annihilent et se transforment en photons qui peuvent être enregistrés. Un positon qui trouve sur son chemin un défaut de volume ouvert dans le réseau cristallin peut y être piégé. Cela prolonge le temps jusqu'à ce qu'il s'annihile. La mesure de la durée de vie des positons donne aux chercheurs une image de la structure de l'échantillon au niveau atomique.

Le but de l'utilisation de cette méthode était, en particulier, obtenir des informations sur la répartition des défauts du réseau cristallin dans la couche superficielle résultant du traitement SMAT. Aussi, il a été utilisé pour étudier une couche de matériau de quelques micromètres d'épaisseur, se trouvant juste en dessous de la surface traitée, et de lier les informations obtenues aux propriétés de corrosion. Ceci est important car les défauts du réseau déterminent les propriétés clés des matériaux lors de leur utilisation, par exemple, en métallurgie ou en technologie des semi-conducteurs.

"La durée de vie moyenne des positons dans la couche de 200 micromètres obtenue à partir du traitement SMAT de 120 secondes montre une valeur constante élevée de 244 picosecondes. Cela signifie que tous les positons émis par la source atteignant cette couche s'annihilent en défauts de structure, c'est-à-dire les atomes manquants dans les sites du réseau cristallin appelés lacunes, qui dans ce cas sont associés à des luxations. Cette couche correspond à une zone fortement déformée à grains fins. Plus profond, la durée de vie moyenne des positons diminue, ce qui indique une concentration décroissante de défauts, atteindre à une distance d'environ 1 millimètre de la surface la valeur caractéristique du magnésium bien recuit avec une densité de défauts de structure relativement faible, qui était notre matériel de référence, " Doctorant Konrad Skowron, l'auteur principal de l'article et l'auteur des études, décrit les détails du travail.

Le procédé SMAT a considérablement influencé le comportement des échantillons de magnésium lors des tests de corrosion électrochimique. Les changements structurels causés par SMAT ont augmenté la sensibilité du magnésium à l'oxydation anodique, intensifier la formation d'un film d'hydroxyde en surface et par conséquent conduire à une meilleure résistance à la corrosion. Ceci est confirmé par les résultats obtenus avec l'utilisation d'un faisceau de positons à l'Institut commun de recherche nucléaire de Doubna, Russie. Les résultats montrent qu'outre les joints de grains et de sous-grains présents en surface, aussi d'autres défauts cristallins tels que les dislocations et les lacunes peuvent jouer un rôle essentiel dans le comportement corrosif du magnésium.

« Nous menons actuellement une étude similaire pour le titane. Le titane est un métal très utilisé dans l'aérospatiale, automobile, industries énergétiques et chimiques. Il est également appliqué comme matériau pour la production de dispositifs biomédicaux et d'implants. Une méthode économiquement acceptable qui permet d'obtenir du titane pur avec une microstructure à gradient avec des grains nanométriques en couches adjacentes à la surface peut ouvrir des perspectives plus larges pour l'utilisation du titane dans des produits importants pour l'économie mondiale et pour améliorer le confort de la vie humaine, " dit le Pr Dryzek.