Une nouvelle étude révèle la grande efficacité des implants médicaux en titane
procédé d'impression 3D du titane
Comparativement au procédé traditionnel, les avantages de la technologie d'impression 3D pour la fabrication de formes d'implants chirurgicaux personnalisées se manifestent principalement par : les caractéristiques de formage libre de l'impression 3D permettent de personnaliser rapidement et précisément l'implant interne, et de surmonter les problèmes liés à la forme universelle traditionnelle, incompatible avec le corps humain et dont les propriétés mécaniques ne répondent pas aux normes ; structures complexes et produits difficiles à transformerLes microstructures personnalisées, en particulier les structures poreuses traversantes, peuvent non seulement répondre à des propriétés physiques et chimiques spécifiques, mais aussi améliorer la biohistocompatibilité.
Cette série d'avantages permet de surmonter efficacement les problèmes courants de protection contre les contraintes et de faible activité biologique des implants. Actuellement, l'impression 3D est la technique la plus couramment utilisée et la plus répandue. alliages de titane sont la technologie SLM et la technologie EBM.
La fusion sélective par laser (SLM) utilise un laser comme source de chaleur pour irradier sélectivement des matériaux en poudre préalablement déposés, afin d'obtenir une fusion et un formage rapides. Le principe de fonctionnement principal repose sur le fait que, sous atmosphère inerte, l'instrument et l'équipement sont protégés par un laser.PMLe système contrôle le faisceau laser en fonction du parcours de balayage de remplissage généré par le mode de conception du système afin de sélectionner et de faire fondre chaque couche de poudre.
Ensuite, la plateforme est abaissée, la poudre est à nouveau déposée, et Frittage Le processus est répété jusqu'à l'obtention de la forme complète. La protection par gaz inerte empêche le métal de réagir avec d'autres gaz à haute température. La technologie SLM offre une très large gamme de matériaux compatibles, permet des économies de matière et est recyclable. Ne nécessitant pas la conception ni la préparation d'un système de support complexe, ces avantages expliquent son utilisation de plus en plus répandue.
Cependant, la fusion sélective par laser (SLM) présente également certains inconvénients : la puissance laser et l’angle de déflexion du galvanomètre de balayage étant limités, la taille des pièces réalisables est restreinte. De plus, les lasers de forte puissance et les équipements optiques de haute qualité sont onéreux, ce qui alourdit le coût. L’utilisation de poudres métalliques peut engendrer des problèmes de qualité de surface, nécessitant un traitement secondaire avant utilisation. Enfin, des défauts de sphéroïdisation et de déformation peuvent apparaître, exigeant une optimisation rigoureuse du processus de fabrication. La fusion par faisceau d’électrons (EBM) est un procédé de fabrication additive qui utilise un faisceau d’électrons comme source de chaleur pour fondre la poudre métallique couche par couche sous vide.
Son principe de fonctionnement est le suivant : poudre pré-enduite, déviation du faisceau d'électrons à haute énergie après focalisation pour produire une énergie élevée dans une petite zone locale afin de balayer la couche de poudre pour produire une température élevée et même une fusion, grâce au balayage continu du faisceau d'électrons pour produire de l'énergie entre la fusion du bain de fusion et la solidification, connectée en une couche métallique linéaire et plane.
Après avoir terminé la couche actuelle, répétez l'opération de dépôt de poudre pour former la pièce. Lors du processus de fabrication, la fusion par faisceau d'électrons (EBM) utilise un environnement de fusion à l'air libre afin de garantir la haute résistance du matériau et d'éviter l'oxydation de l'alliage. Comparée à la fusion sélective par laser (SLM), l'EBM présente les principaux avantages suivants : une génération efficace de puissance du faisceau d'électrons, une consommation d'énergie réduite et une vitesse de production élevée, ce qui permet d'obtenir une puissance totale élevée pour l'ensemble de la machine ; la déviation du faisceau d'électrons ne nécessite aucun déplacement de l'équipement, ce qui améliore encore la vitesse de balayage. Un environnement thermique optimal assure la stabilité dimensionnelle des pièces imprimées en 3D, garantit leurs propriétés mécaniques statiques, répond aux exigences biologiques et la poudre métallique est recyclable.
État actuel et progrès des implants chirurgicaux imprimés en 3D
Les implants chirurgicaux et les orthèses imprimés en 3D offrent des perspectives d'application prometteuses en ostéologie. On en trouve désormais de plus en plus. Matériaux d'implants imprimés en 3D Parmi les applications de cette technologie figurent les aides auditives, les prothèses de membres, les guides chirurgicaux orthopédiques personnalisés, les articulations artificielles, les oreilles externes artificielles, les implants dentaires personnalisés et d'autres traitements cliniques personnalisés. Selon certaines sources, en 2014, des chercheurs de l'Université de Pékin ont implanté avec succès une colonne vertébrale artificielle imprimée en 3D et microperforée à un garçon de 12 ans, une première mondiale. La même année, des médecins et des scientifiques ont appareillé une fillette de 5 ans en Écosse avec une prothèse de main imprimée en 3D.
Le Centre de stomatologie de l'Hôpital n° 411 de l'Armée populaire de libération a utilisé avec succès la technologie EBM pour concevoir et implanter un implant mandibulaire en alliage de titane sur mesure, reproduisant fidèlement l'anatomie d'un patient ayant subi une hémi-résection maxillaire. L'intervention a permis de réaliser simultanément la résection de la mandibule pathologique et la réparation fonctionnelle individualisée, la mandibule défectueuse étant réparée et reconstruite individuellement. Les suites opératoires ont été satisfaisantes. Par ailleurs, Lethaus B. et ses collaborateurs ont utilisé l'impression 3D pour reconstruire des lambeaux osseux et microvasculaires chez 20 patients ayant subi une résection mandibulaire. Cette technique a permis de réduire la durée de l'intervention, d'en améliorer la qualité et d'obtenir de bons résultats postopératoires. Ces dernières années, de nombreuses études et actualités similaires ont émergé, témoignant du fort potentiel de l'impression 3D en médecine.
Du côté des produits orthopédiques, les matériaux d'implants chirurgicaux imprimés en 3D progressent également vers leur commercialisation. En 2007, les cupules acétabulaires bio-imprimées en 3D avec matrice de tissu dur, développées par les sociétés italiennes Adler Ortho et Lima-LTO, ont obtenu la certification CE. Le produit d'Exactech a été approuvé par la FDA en 2010. En 2009, le dispositif de fusion osseuse entièrement en titane, produit par la société américaine AMT grâce à l'impression 3D, a également obtenu la certification CE européenne. En 2013, le premier implant crânien bio-imprimé aux États-Unis a été approuvé par la FDA ; il s'agit également du premier implant crânien personnalisé au monde en PEEK imprimé en 3D.
Sur cette base, en 2014, la société américaine Oxford a obtenu l'approbation de la FDA pour l'impression 3D de produits osseux maxillo-faciaux (mode 5IOK). Par ailleurs, en septembre 2015, l'implant humain imprimé en 3D – une prothèse de hanche – développé par le Troisième Hôpital de Médecine de Pékin et la société Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., a été enregistré par l'Administration nationale des produits alimentaires et pharmaceutiques. Cette prothèse de hanche imprimée en 3D est désormais produite en série, ce qui signifie que les implants imprimés en 3D en Chine sont également entrés dans leur phase de production.
La technologie d'impression 3D joue un rôle de plus en plus important dans l'innovation médicale et technologique, et la recherche et l'application de diverses prothèses implantaires personnalisées, de prothèses de membres, d'implants dentaires et autres dispositifs médicaux se développent considérablement. Par conséquent, l'évaluation de la biosécurité des implants fabriqués grâce à ce nouveau procédé requiert une attention accrue.
Recherche sur la biosécurité du titane imprimé en 3D
La sécurité des matériaux biomédicaux dépend principalement de l'interaction entre les tissus et ces matériaux. Pour que les matériaux métalliques biomédicaux répondent aux exigences des dispositifs implantables, la réaction induite par l'implantation dans le corps humain doit être acceptable et ne doit pas entraîner de modifications qualitatives de la structure et des propriétés du matériau. Cette interaction se traduit principalement par la biocompatibilité et la fonction biologique du matériau.
Par conséquent, après implantation dans le corps humain, l'implant ne doit pas provoquer de réactions indésirables telles que des allergies, des inflammations, des réactions chimiques au niveau des cellules, du sang et des organes, ni de rejet. De plus, les implants destinés à une implantation prolongée doivent présenter de bonnes propriétés mécaniques statiques : une résistance suffisante, un module d'élasticité approprié, une grande stabilité, une bonne résistance à la corrosion et une durabilité accrue. L'implantation chirurgicale d'alliages de titane est aujourd'hui largement pratiquée et la recherche sur leur biocompatibilité est bien établie. Ainsi, la sécurité des pièces en alliage de titane imprimées en 3D repose principalement sur la sécurité de leur fonction biomécanique.
Les recherches visant à déterminer si les implants métalliques imprimés en 3D sont comparables aux implants classiques fabriqués selon les procédés traditionnels en termes de propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion et de biocompatibilité, et si certaines propriétés mécaniques statiques des implants en alliage répondent aux exigences cliniques et aux normes nationales, sont toujours en cours. Il a été constaté que certaines propriétés mécaniques statiques des implants en titane imprimés en 3D répondent aux besoins cliniques. Des échantillons de Ti6Al4V préparés par la technique EBM ont été testés par traction directe et par pressage isostatique à chaud. Les résultats ont montré que la résistance des échantillons de Ti6Al4V était supérieure à celle requise pour le forgeage.
La résistance à la corrosion de l'alliage Co-Cr-Mo préparé par la technologie SLM est similaire à celle de l'alliage préparé par le procédé traditionnel, et la quantité de dissolution ionique dans l'environnement salivaire simulé est moindre pour l'impression 3D que pour l'alliage préparé par le procédé traditionnel. La société EOS a constaté que le produit Ti6Al4V préparé par la technologie DMLS possède les mêmes propriétés mécaniques statiques et la même résistance à la fatigue que le forgeage traditionnel grâce à un post-traitement approprié. Le dispositif de fusion vertébrale en alliage de titane poreux, préparé par EBM, a été implanté chez la chèvre et a donné de bons résultats dans un modèle de fusion cervicale chez le mouton. L'interface os-matériau était meilleure que celle du dispositif de fusion en PEEK.
Cliniquement, le module d'élasticité et les autres propriétés mécaniques des alliages de titane ne correspondent pas à celles de l'os humain. Il en résulte un phénomène de « protection contre les contraintes » au niveau du tissu osseux périphérique de l'implant, pouvant entraîner une ostéoporose, une résorption osseuse, un descellement, voire la perte de l'implant et son échec. Afin de pallier ce problème, les implants à structure poreuse suscitent un intérêt croissant chez les chercheurs. Des études ont démontré que l'impression 3D permet d'ajuster avec une grande précision la microstructure des implants, modifiant ainsi leur module d'élasticité et leurs propriétés mécaniques. Ces dernières sont alors adaptées au tissu osseux humain, ce qui améliore les fonctions biomécaniques tout en garantissant une charge physiologique appropriée.
La structure contrôlée du corps en Ti6Al4V a été fabriquée par la technologie de formage EBM. L'observation au microscope électronique à balayage a révélé que la structure interne des pores était conforme à la conception théorique, démontrant ainsi la précision du contrôle de la structure des produits imprimés en 3D par EBM. Les tests de performance mécanique ont montré une résistance à la compression de 163 MPa et un module d'élasticité de 14 MPa pour une porosité de 60,1 %, valeurs proches de celles de l'os humain. La culture cellulaire in vitro a également démontré une bonne biocompatibilité.
Des échafaudages poreux ont été préparés par la technologie EBM grâce à l'optimisation des paramètres de conception, et leurs propriétés mécaniques ont été évaluées. Il a été constaté que la biomécanique des matériaux poreux conçus présentait une supériorité notable dans la simulation de la compatibilité de phase et de l'adaptation à l'implantation. Trois types de titane poreux de 300 g, 600 g et 900 g, préparés par SLM, ont été implantés dans le tibia de lapins afin d'étudier l'effet du taux de porosité sur la croissance osseuse. Les résultats ont montré que le tissu osseux présentant une structure poreuse de 600 µm avait une longueur et une biocompatibilité supérieures.
Du point de vue de la croissance osseuse, un support à porosité et ouverture ajustables favorise la transmission des nutriments dans l'organisme et stimule la croissance osseuse, améliore l'intégration des implants au lit osseux et prolonge la durée de vie de la prothèse, permettant ainsi d'obtenir de meilleurs résultats médicaux qu'un alliage de titane massif. Ces dernières années, l'alliage de titane multi-perforé s'est imposé comme le matériau idéal pour la réparation et le remplacement des tissus durs en clinique. L'utilisation d'implants en alliage de titane imprimés en 3D, présentant diverses microstructures ou structures traversantes, a également ouvert de nouvelles perspectives.
