I. Définition et applications des matériaux métalliques médicaux
Les matériaux métalliques médicaux, également connus sous le nom de matériaux métalliques pour implants chirurgicaux, sont principalement utilisés pour le diagnostic, le traitement et le remplacement ou l'amélioration des tissus du corps humain. Au cours des 20 dernières années, bien que le développement des matériaux médicaux métalliques ait été plus lent que celui des matériaux biomédicaux tels que les polymères, les composites, les hybrides et les dérivés, ils offrent de nombreuses propriétés irremplaçables que d'autres matériaux médicaux ne peuvent égaler, notamment une résistance élevée, une bonne ténacité, une résistance à la fatigue en flexion et d'excellentes propriétés de traitement. Ce sont les matériaux d'implants porteurs-les plus largement utilisés dans les applications cliniques. Avec le développement de la technologie d’impression 3D métallique, les matériaux médicaux métalliques ont acquis une application plus large, les applications les plus importantes comprenant les plaques de fixation des fractures, les vis, les articulations artificielles et les implants dentaires.
II. Matériaux médicaux métalliques couramment utilisés
Les principaux matériaux métalliques utilisés dans les applications médicales cliniques comprennent l'acier inoxydable, les alliages de cobalt, les alliages de titane, les alliages à mémoire de forme, les métaux précieux et les métaux purs tels que le tantale, le niobium et le zirconium.
1. Acier inoxydable
L'acier inoxydable médical (Stainless Steel as Biomedical Material) est un alliage à base de fer-résistant à la corrosion-et l'un des premiers alliages biomédicaux développés. Il se caractérise par sa facilité de traitement et son faible coût. Laisser le travail à froid façonner l'acier inoxydable augmente non seulement la limite d'élasticité, mais renforce également l'alliage contre la rouille, ce qui à son tour réduit le risque de fracture par fatigue. Lorsque vous regardez la microstructure, les aciers inoxydables s'alignent comme des nuances austénitiques, ferritiques, martensitiques ou durcies par précipitation. Pas de surprise, ces aciers sont devenus des équipements standards dans le monde médical ; vous les trouverez forgés dans des couteaux chirurgicaux, le sous-rail d'une lame de ciseaux, les mâchoires d'un hémostat et le corps d'une aiguille creuse. Au-delà des instruments manuels, les aciers inoxydables servent également dans des applications implantables, notamment les articulations artificielles, les fixateurs de plaques et de vis, les supports d'arcs orthodontiques et les boîtiers de valves des dispositifs mécaniques de valvules cardiaques. Parmi ces méthodes utilitaires, les nuances austénitiques 316L et 317L, ayant une teneur en carbone très -faible pour minimiser la précipitation des carbures aux limites des grains, dominent. Les spécifications écrites de ces alliages ont été publiées pour la première fois dans la révision de 1987 de la norme ISO pour les matériaux métalliques implantables, ISO 5832 et ISO 7153. Suite au corpus international, une norme nationale dans mon pays, GB 12417, a été rédigée en 1990 et adoptée en 1991.
La biocompatibilité et les problèmes associés de l'acier inoxydable médical concernent principalement les réactions tissulaires provoquées par la dissolution des ions métalliques due à la corrosion ou à l'usure après implantation. De nombreuses données cliniques démontrent que la corrosion de l'acier inoxydable médical entraîne une mauvaise stabilité des implants à long-terme. De plus, sa densité et son module élastique diffèrent considérablement de ceux des tissus durs humains, ce qui entraîne une mauvaise compatibilité mécanique. La corrosion peut provoquer la pénétration d'ions métalliques ou d'autres composés dans les tissus environnants ou dans le corps dans son ensemble, entraînant potentiellement des réactions histologiques indésirables telles qu'un œdème, une infection et une nécrose des tissus, entraînant des douleurs et des réactions allergiques. En particulier, la dissolution des ions nickel de l'acier inoxydable peut provoquer de graves modifications pathologiques (l'acier inoxydable médical austénitique couramment utilisé contient environ 10 % de nickel). Ces dernières années, des aciers inoxydables médicaux à faible teneur en nickel et sans nickel ont été progressivement développés et appliqués.
2. Alliages de cobalt
Les alliages de cobalt (alliages à base de Co- en tant que matériaux biomédicaux) sont également couramment utilisés dans les applications médicales. Par rapport à l'acier inoxydable, ils sont plus adaptés à la fabrication d'implants à long terme-soumis à des charges exigeantes dans le corps, avec une résistance à la corrosion 40 fois supérieure à celle de l'acier inoxydable. Le premier alliage métallique de cobalt- spécialement conçu pour la médecine était le cobalt-chrome-molybdène, un mélange qui refroidit jusqu'à former une structure austénitique stable. Puis, à la fin des années 1970, une vague de nouvelles options est apparue, notamment un mutant cobalt-nickel-chrome-aluminium-tungstène-fer forgé qui présente une résistance supérieure à la fatigue, et la variante MP35N, qui conserve un noyau cobalt-nickel-chrome-aluminium tout en s'austénitisant thermomécaniquement en une microstructure multiphasée complexe. La matrice austénitique clinique à faible teneur en cobalt et les variantes cobalt-nickel ont depuis excellé dans l'ingénierie prothétique.Ils façonnent les tiges et les cupules des hanches artificielles à base de cobalt-chrome Mo-, les surfaces articulaires des genoux en alliage cobalt-chrome et les dispositifs de fixation orthopédiques, qui comprennent des placages pour fractures instables, des vis de couture-de circulation et des broches osseuses-ajustées par pression. Actuellement, les alliages coulés de cobalt-chrome-aluminium sont les plus largement utilisés et sont incorporés dans la norme ISO 5582/4. En 1990, mon pays l'a inclus dans la norme nationale GB12417.
Les alliages de cobalt restent généralement dans un état passif dans le corps humain, se corrodant rarement. Comparé à l'acier inoxydable, leur film passif est plus stable et résistant à la corrosion-. Ils offrent également la meilleure résistance à l’usure de tous les matériaux métalliques médicaux, généralement considérés comme ne produisant aucune réaction histologique notable après l’implantation. Cependant, en raison de leur coût élevé, les articulations artificielles de la hanche fabriquées à partir d’alliages de cobalt présentent un taux élevé de descellement in vivo en raison de la libération d’ions Co et Ni provoquée par l’usure et la corrosion du métal. En outre, les éléments Co et Ni précipités présentent des défis biologiques, tels qu’une allergénicité grave, qui peut facilement provoquer une nécrose des cellules et des tissus in vivo, entraînant des douleurs, un relâchement des articulations et un affaissement. Leur application est donc limitée. Ces dernières années, des techniques de modification de surface ont été utilisées pour améliorer les propriétés de surface des alliages de cobalt, renforçant ainsi efficacement leur efficacité clinique.
3. Alliages de titane
Les alliages à base de Ti- en tant que matériaux biomédicaux comptent parmi les métaux les plus biocompatibles connus. Depuis les années 1940, le titane et ses alliages ont progressivement gagné en application en médecine clinique. En 1951, les humains ont commencé à utiliser du titane pur pour fabriquer des plaques osseuses et des vis. Au milieu des années 1970, le titane et ses alliages ont commencé à gagner en applications médicales généralisées, devenant ainsi l'un des matériaux médicaux les plus prometteurs. Actuellement, le titane et ses alliages sont principalement utilisés en orthopédie, notamment dans la reconstruction des membres et du crâne. Ils sont utilisés pour fabriquer divers dispositifs de fixation des fractures, des articulations artificielles, des calottes crâniennes et de la dure-mère, des valvules cardiaques artificielles, des dents, des gencives, des anneaux de retenue et des couronnes. L'alliage de titane le plus utilisé dans les applications médicales est le TC4 (Ti-6Al-4V). Cet alliage présente une structure + biphasée à température ambiante. Sa résistance et ses autres propriétés mécaniques peuvent être considérablement améliorées grâce au traitement en solution et au vieillissement.
La densité du titane et de ses alliages est d'environ 4,5 g/cm³, soit environ la moitié de celle de l'acier inoxydable et des alliages de cobalt, se rapprochant de celle des tissus durs humains. De plus, leur biocompatibilité, leur résistance à la corrosion et leur résistance à la fatigue dépassent celles de l’acier inoxydable et des alliages de cobalt, ce qui en fait actuellement les meilleurs matériaux médicaux métalliques. L’affinité du titane et de ses alliages pour le corps humain provient du film dense de passivation d’oxyde de titane (TiO2) présent à leur surface, qui, après implantation, induit le dépôt d’ions calcium et phosphore dans les fluides corporels pour former de l’apatite. Celui-ci présente un certain degré de bioactivité et de liaison osseuse, ce qui les rend particulièrement adaptés à l'implantation intra-osseuse. Cependant, les inconvénients du titane et de ses alliages sont leur faible dureté et leur faible résistance à l'usure. En cas d'usure, le film d'oxyde est d'abord détruit, suivi de la libération de produits de corrosion de particules d'usure qui pénètrent dans les tissus humains. En particulier, le vanadium (V) toxique dans l'alliage Ti-6Al-4V peut provoquer l'échec de l'implant. Pour améliorer la résistance à l'usure du titane et de ses alliages, l'amination ionique à haute température ou l'implantation ionique peut être utilisée pour améliorer leur résistance à l'usure de surface. Ces dernières années, de nouveaux alliages de titane (principalement des alliages de type ) ont été développés, tous axés sur la réduction des éléments nocifs pour le corps humain, améliorant ainsi efficacement la biocompatibilité des alliages de titane.
4. Alliages à mémoire de forme
La recherche sur les alliages médicaux à mémoire de forme (SMA) en tant que matériaux biomédicaux a commencé dans les années 1970 et a rapidement gagné en applications. Le SMA le plus largement utilisé en pratique clinique est le SMA au nickel-titane. La température de récupération de la mémoire de forme des SMA médicaux est de 36 ± 2 degrés, ce qui correspond à la température du corps humain et démontre une biocompatibilité comparable à celle des alliages de titane. Cependant, comme les SMA contiennent une grande quantité de nickel, un traitement de surface inapproprié peut provoquer la diffusion et la pénétration des ions nickel dans les tissus environnants, provoquant ainsi une nécrose des cellules et des tissus. Les SMA médicaux sont principalement utilisés en chirurgie plastique et en dentisterie. Les stents auto-expansibles, en particulier les stents cardiovasculaires, sont un excellent exemple de leur application.
5. Métaux précieux et métaux purs : tantale, niobium et zirconium
Les métaux précieux médicaux font référence à l’or, à l’argent, au platine et à leurs alliages utilisés comme matériaux biomédicaux. Les métaux précieux ont une excellente biocompatibilité, une forte résistance à l'oxydation et à la corrosion, une stabilité physique et chimique unique, d'excellentes caractéristiques de traitement et sont non-toxiques pour les tissus humains. Ils sont utilisés dans les restaurations dentaires, les réparations crâniennes, les dispositifs électroniques implantables, les prothèses neurales, les dispositifs de stimulation nerveuse auriculaire et diaphragmatique, les dispositifs nerveux visuels et les électrodes de stimulateur cardiaque.
Le tantale pour restaurations dentaires présente une excellente stabilité chimique et une excellente résistance à la corrosion physiologique. L'oxyde de tantale est essentiellement non absorbé et non-toxique. Le tantale peut être combiné avec d’autres métaux sans endommager le film d’oxyde de surface. Dans la pratique clinique quotidienne, il semble possible de lier des métaux tout en évitant la rupture de la couche d'oxyde continue qui passive leurs surfaces. Étant donné que le tantale, le niobium et le zirconium présentent à la fois des profils de microstructure et de réactivité étroitement alignés sur ceux du titane, ils ont été évalués pour diverses applications d'implants, allant des greffes osseuses instrumentées et des racines dentaires vissées aux sections charnières de prothèses amovibles, aux stents vasculaires à paroi mince et au large spectre de dispositifs tels que les cœurs artificiels totaux modulés en température. Néanmoins, la recherche de ces métaux dans la pratique courante reste limitée ; leur raffinement inhérent et leurs économies de fabrication les positionnent bien au-delà des budgets de la plupart des marges implantaires.
