Développée par la société belge Ionics SA, la technologie d'implantation ionique ionGUN a de quoi séduire les fabricants de DM. Des études ont en effet montré qu'elle permet d'améliorer sensiblement les propriétés des surfaces des implants ou de leur apporter de nouvelles fonctionnalités.

Filiale du centre de recherche Materia Nova fondée en 2014, Ionics Surface Technologies est active dans le domaine du revêtement et du traitement de surfaces. Innovante, sa technologie ionGUN permet une implantation de surface des matériaux par faisceau d’ions.

Le principe est le suivant : un plasma gazeux, généré par une source ECR optimisée (Electron Cyclotron Resonance), permet de produire efficacement les ions nécessaires au traitement. Ces ions sont alors extraits et accélérés pour former un faisceau directionnel de haute énergie venant bombarder la pièce à implanter. Les ions pénètrent la surface et la modifient, accroissant les propriétés initiales ou apportant de nouvelles fonctionnalités, sans qu'aucun revêtement ne soit appliqué. Selon la nature du gaz plasmagène, noble ou réactif, différents effets sont obtenus : nano-écrouissage, densification, diffusion, nitruration, etc.

Des technologies similaires, mais plus complexes, sont utilisées dans le domaine de la microélectronique depuis plusieurs années. Avec la technologie ionGUN, le procédé a été simplifié et optimisé, avec l'obtention de performances qui ouvrent de nouvelles perspectives d’application, notamment dans le domaine biomédical.

« Nos développements ont montré que l’implantation par faisceau d’ions accroit significativement les propriétés de durabilité et d’implantabilité des prothèses chirurgicales », explique Fabian Renaux, responsable de la R&D chez Ionics. « C'est ainsi que nous avons décidé de collaborer avec le centre de R&D Materia Nova, le CRITT Matériaux Innovation et la société SLS France, afin d’apporter des solutions optimisées à nos partenaires du domaine biomédical ».

Optimiser les propriétés mécaniques

En premier lieu, il est possible d'optimiser les propriétés mécaniques comme la dureté, le module d’élasticité et la ténacité. « On obtient des valeurs de dureté de l’ordre de 800 à 1900 HV pour des alliages à base de titane comme le Ti6Al4V, et de 1200 HV pour des alliages à base de chrome cobalt», précise Fabian Renaux.

Des essais d’usure "pin on disc" sans lubrification ont montré une augmentation de la résistance à l’usure d’un facteur 10 dans le cas du titane. L’empreinte laissée par la broche sur l'échantillon est significativement plus étroite et ne présente pas de débris.

Les surfaces métalliques traitées voient également leur résistance à la corrosion augmenter. Des mesures électrochimiques ont été réalisées dans différentes solutions "Ringer" simulant le milieu biologique en contact avec les implants. Les résultats mettent en évidence une diminution d’un facteur 3 à 5 de la vitesse de relargage des ions dans la phase liquide. La cytotoxicité potentielle de l’alliage est fortement diminuée sur le long terme. A titre d’exemple, dans le cas du Ti6Al4V, dans une solution à PH neutre (7,4), moins de 40 ng/cm² d’ions métalliques sont relargués. Dans des conditions identiques, le matériau non traité relargue plus de 140ng/cm².

En ce qui concerne la biocompatibilité, le traitement ne modifie pas le comportement du matériau comme le montrent les résultats de mesures de prolifération cellulaire par la méthode MTT.

Les effets de l’implantation s’étendent sur une profondeur de 1 µm à température ambiante. Si la surface est chauffée, un mécanisme d’implantation/diffusion apparait et des profondeurs de plusieurs microns sont atteintes. Des effets similaires sont obtenus sur les polymères et sur les céramiques.

Des avantages multiples

Outre l’absence de revêtement et de risque de délamination pouvant mener à la formation de débris, la technologie ionGUN offre plusieurs autres avantages.

Premièrement, le faisceau présente une distribution d’ions mono- et multichargés. Une interface diffuse est obtenue entre la surface modifiée et le cœur du matériau. « L’accumulation de contraintes mécaniques localisées pouvant conduire à des microfissurations est ainsi fortement limitée », souligne Fabian Renaux.

Deuxièmement, le procédé est directionnel. Le faisceau d’ions permet de traiter des surfaces allant de quelques cm² à quelques dizaines de cm². Il est possible d’implanter uniquement les zones utiles et d’en moduler les propriétés finales à façon. Un traitement localisé assure également un meilleur contrôle de la température moyenne atteinte par la pièce durant l’implantation.

Troisièmement, la technologie "en faisceau" et le contrôle possible de la température durant le traitement permettent la modification de tous les types de matériaux : métaux, céramiques et même les polymères. On notera que les pièces implantées sont aisément identifiables par la gamme de couleurs obtenues en fonction des paramètres du procédé.

En combinaison avec le dépôt de couches minces

L’implantation par faisceau d’ions peut également être combinée aux technologies de dépôt de couches minces à basse pression comme la PVD. Lors d’une étape de prétraitement par implantation, la surface du substrat peut être durcie afin de limiter l’accumulation des contraintes à l’interface. En post-traitement, l’implantation peut permettre l’obtention d’une interface diffuse, la couche déposée migrant partiellement dans la surface du matériau. L’adhésion est fortement améliorée et les risques de délamination diminués.

Enfin, il est possible d’optimiser les propriétés de la couche mince afin, par exemple, de privilégier en extrême surface des propriétés de ténacité ou d’élasticité plutôt que de dureté.

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