Matériaux candidats pour la production d’implants métalliques

D’une part, la présente section introduit les considérations essentielles pour la sélection du matériau de base en vue de la production d’implants orthopédiques métalliques avec le procédé de la fusion sur lit de poudre afin de permettre l’intégration des structures poreuses. D’autre part, les principaux alliages métalliques envisageables pour la fabrication de ces implants avec le procédé en question sont brièvement abordés dans cette section, dont les alliages à base de titane, tantale, cobalt-chrome-molybdène, les aciers inoxydables et les alliages superélastiques.

En termes de biocompatibilité, il est primordial de considérer la fonction bioactive et la sécurité biologique lors de la sélection du matériau d’un implant (Brailovski & Terriault, 2016). Dans le cas des implants orthopédiques, la propriété de la fonction biologique implique la capacité du matériau à provoquer ou favoriser la régénération osseuse. Parallèlement, la sécurité biologique signifie que le matériau ou ces constituants de base ne représentent pas une substance nocive pour l’organisme (Mitsuo Niinomi, 2010). Avec les métaux, l’éventualité de la corrosion présente un facteur pouvant influencer les caractéristiques mécaniques des implants dans le temps. Par ailleurs, les ions libérés pendant le phénomène de corrosion des implants sont à l’origine des réactions allergiques ou inflammatoires chez leurs hôtes (Z. Wang et al., 2017).

Le premier des matériaux candidats abordés sont les alliages de titane Ti-6Al-4V. Ils se révèlent biologiquement inertes, résistants à la corrosion et possèdent un module d’élasticité relativement faible (E ≈ 110 GPa) bien qu’il soit largement supérieur à celui des tissus osseux. Des alliages à base de titane sont donc fréquemment utilisés pour produire des dispositifs médicaux et c’est le cas notamment pour les implants orthopédiques. Les alliages de titane

offrent de meilleures propriétés mécaniques et biologiques que le titane à l’état pur. Des essais in vitro, de même que des essais in vivo avec des animaux ont démontré que les structures poreuses à base d’alliages de titane permettent de bonnes adhésions aux os ainsi que des taux de croissance osseuse satisfaisants à l’intérieur des pores (Mohandas, Oskolkov, McMahon, Walczak, & Janowski, 2014; Reach et al., 2007; Z. Wang et al., 2017).

Le tantale (Ta) est un métal inerte biologiquement qui possède une bonne résistance mécanique (Mas-Moruno, Garrido, Rodriguez, Ruperez, & Gil, 2015), mais qui présente une densité (ρ ≈ 16.6 g/cm3_{), une rigidité (E ≈ 185-200 GPa) et un coût plus élevé que les alliages de titane}

(Mitsuo Niinomi, 2010). Les nombreuses expériences in vivo et essais cliniques impliquant le tantale ont démontré un comportement exempt de corrosion et une biocompatibilité adéquate qui mène rarement à des réactions inflammatoires. Par ailleurs, des structures poreuses produites à base de tantale ont présenté des résultats de croissance osseuse satisfaisants donnant lieu à une liaison robuste entre des tissus osseux et des implants (Q. Wang et al., 2015). Des coquilles acétabulaires comportant des portions poreuses produites à partir de tantale sont déjà commercialement disponibles sur le marché, et ce, majoritairement pour les cas de révision des prothèses totales de la hanche (Levine, Sporer, Poggie, Della Valle, & Jacobs, 2006). Les essais et observations de Reach et al. (2007) ont même révélés que les tissus mous tels que les vaisseaux et même les tendons peuvent croitre à travers les structures poreuses de tantale.

Les alliages cobalt-chrome-molybdène (CoCrMo) sont largement utilisés pour la production d’implants. Ces alliages présentent notamment les duretés les plus élevées parmi les métaux utilisés pour les dispositifs médicaux et possèdent une résistance mécanique ainsi qu’une endurance face à l’usure appréciable (Z. Wang et al., 2017). Cependant, les qualités bioactives de ces alliages sont sensiblement moins intéressantes comparativement à celle des alliages de titane et leurs modules d’élasticité (E ≈ 210-240 GPa) sont près du double de celui des alliages Ti-6Al-4V.

Des alliages d’acier inoxydable, tel que le 316L, sont également utilisés commercialement pour la production de tiges fémorale principalement due au coût moindre et aux caractéristiques

biocompatibles de ce matériau. Malheureusement, sa rigidité importante (E ≈ 210 GPa), légèrement inférieure à celle du CoCrMo, fait en sorte qu’il n’est pas un matériau idéal en ce qui concerne le phénomène de déviation des contraintes (Zheng, Xu, Xu, Cai, & Wang, 2017).

Enfin, les métaux superélastiques, tels que les alliages TiNi ou les alliages de titane bêta exempts de nickel, sont des candidats probants pour la fabrication d’implants puisqu’ils présentent des propriétés mécaniques hors du commun dont, une faible rigidité (E ≈ 50-110 GPa), une intégrité mécanique conservée sous d’importantes déformations (ε = 8%) en plus de présenter des comportements mécaniques hystérétiques analogues à certains tissus organiques humains (Brailovski & Terriault, 2016). Néanmoins, ces matériaux font toujours l’objet de recherches appliquées et, par conséquent, ne sont pas disponibles d’emblée chez les fournisseurs de matériaux pour les systèmes de fusion sur lit de poudre.

Généralement, la surface externe des implants métalliques qui sont produits à partir des alliages de Ti, Ta et Co présente une couche oxydée et inerte biologiquement qui prévient la corrosion. Malheureusement, des réactions chimiques ou la présence de débris résultant de l’implantation peuvent briser la couche d’oxyde et engendrer des réactions corrosives nocives. Le système immunitaire est activé lorsque des ions métalliques sont libérés dans le corps humain et cela accroît la résorption osseuse menant éventuellement à l’ostéolyse et à la défaillance de l’implantation (Saleh, Touny, Al-Omair, & Saleh, 2016). Un soin tout particulier doit donc être apporté aux états des surfaces des implants tout comme les matériaux de base, et ce, plus particulièrement pour les implants non cimentés tels que les implants poreux destinés à la croissance osseuse (Z. Wang et al., 2017).