Propriétés des matériaux métalliques pour applications biomédicales

1.2.2.1. Les aciers inoxydables

Les aciers inoxydables austénitiques (de type 316L typiquement) sont largement employés pour la fabrication d’implants grâce à leur disponibilité, leur bas coût, leur facilité de mise en œuvre, leur bonne résistance mécanique, leur ductilité, leur dureté et leur relative bonne biocompatibilité.

Par contre, leur module d’Young demeure relativement haut comparé à celui de l’os (200 GPa versus 10-30 GPa) et leur résistance à l’usure et à la fatigue est plutôt faible pour ce type d’application. Cependant, leur problème majeur est leur faible résistance à la corrosion dans le corps humain. Ils sont particulièrement sujets à la corrosion par piqûre, par crevasse et galvanique, entrainant la libération d’ions toxiques comme le nickel et le chrome.

Ainsi, bien que l’acier 316L soit utilisable en tant qu’implant permanent, son utilisation sera préférée pour des dispositifs temporaires, notamment pour son faible coût. A noter toutefois qu’une variante riche en azote, et moins toxique, de la nuance traditionnelle 316L a pu être développée (Orthinox) et représente maintenant une part majoritaire du marché des aciers inoxydables implantables [3].

1.2.2.2. Les alliages à base de cobalt

Les alliages Co-Cr présentent une résistance à la corrosion supérieure aux aciers inoxydables en milieu chloruré en raison de leur forte teneur en Cr qui conduit à la formation spontanée d’un film d’oxyde passif (Cr2O3). Il en est de même pour leur résistance à la fatigue et à l’usure.

Cependant, le module d’Young de ces alliages est bien supérieur à celui de la matière osseuse (220-230 GPa versus 10-30 GPa), ce qui provoque l’apparition du phénomène de stress-shielding. De plus, les débris résultant de la dégradation mécanique et de la corrosion du matériau sont toxiques (ions Co, Cr et Ni).

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Bien que coûteux, cet alliage reste néanmoins le plus utilisé pour les parties articulatoires des implants permanents (mais aussi pour les dispositifs de fixation de fracture) et offre une durée de vie de plus de 20 ans [3].

1.2.2.3. Les alliages de titane

Les alliages de titane sont privilégiés par la plupart des praticiens car ils possèdent le module d’Young le plus bas (105-125 GPa) et la résistance à la corrosion la plus élevée des trois principales classes de matériaux implantables. De surcroit, le titane est le seul matériau présentant une capacité d’ostéo-intégration, c’est-à-dire qu’il est capable de s’interconnecter avec la matière osseuse sans formation d’une interface fibreuse (Figure 1.2).

Figure 1.2. Micrographies révélant (a) le tissu fibreux se formant à l’interface entre un alliage de Co et l’os (indiqué par les flèches) et (b) l’intime interconnexion entre l’implant en Ti et l’os montrant la capacité d’ostéo-intégration du matériau. Reproduit de la référence [3].

Cependant, ils souffrent d’une assez faible résistance à l’usure et au cisaillement. Il n’est pas rare de constater des ruptures prématurées de prothèse de hanche entièrement constituée de titane (notamment au niveau de la tige fémorale). D’autre part, la première génération d’alliage de titane (Ti-6Al-4V/Nb) pouvant causer des réactions allergiques dues à l’aluminium et/ou au vanadium/nobium, une seconde génération d’alliage a été développée contenant des éléments tels que Mo, Ta et Zr, supposés moins nocifs.

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Le titane pur est plus généralement utilisé pour des implants dentaires alors que les alliages de Ti permettent de fabriquer des parties de prothèse de hanche (tige fémorale) ou de genou.

Une synthèse des avantages et inconvénients des aciers inoxydables, des alliages à base de cobalt et des alliages à base de titane en tant que biomatériaux est proposée dans le Tableau 1.1.

Tableau 1.1. Avantages et inconvénients des aciers inoxydables, des alliages à base de Co et des alliages à base de Ti en tant que biomatériaux. Reproduit de la référence [3].

Matériau Avantages Inconvénients Applications

Aciers inoxydables (316L)

Bonne résistance à la corrosion et à la fatigue pour les implants à court terme Faible coût

Facilité de mise en œuvre

Corrosion à long terme Plus grand module d’Young (E) que l’os (stress shielding) Toxicité (Ni, Cr) Instruments Implants temporaires Alliages à base de Co

Résistance à la corrosion pour les implants à long-terme Très bonne résistance à la fatigue et à l’usure Biocompatibilité

Difficulté de mise en œuvre Coût élevé

Plus grand module d’Young (E) que l’os (stress shielding) Toxicité (Ni, Cr) Implants permanents Alliages à base de Ti Léger Excellente résistance à la corrosion Excellente biocompatibilité Module d’Young (E) relativement faible

Faible résistance au cisaillement Faible résistance à l’usure Coût élevé

Plus grand module d’Young (E) que l’os (stress shielding)

Tige de prothèse de hanche Vis dentaires (implants permanents)

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En résumé, le biomatériau idéal, c’est-à-dire qui aurait un module d’élasticité similaire à celui de l’os, la résistance mécanique des alliages Co-Cr, la résistance à la corrosion et la biocompatibilité du titane ainsi que le coût de fabrication de l’acier inoxydable, n’est pas encore une réalité. Chacune des trois grandes familles de matériaux métalliques présente ses avantages et ses inconvénients. Toutefois, malgré des propriétés de résistance à l’usure et à la fatigue qui ne sont pas toujours optimales, le titane semble se distinguer par sa très bonne biocompatibilité, son faible module d’Young (le plus proche de celui de la matière osseuse), son extrême résistance à la corrosion (la meilleure parmi les trois classes de matériaux citées) et surtout par sa capacité unique d’ostéo-intégration (capacité que ne possèdent pas les deux autres matériaux). La suite de ce manuscrit sera donc plus particulièrement dédiée à l’étude du titane en tant que biomatériau.