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MOUSSES MÉTALLIQUES ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Parution : juin 2015 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200034092 - // charlotte PALMA // 195.25.183.153
matériau constitutif utilisé doit être hautement biocompatible.
Enfin, la mousse métallique utilisée doit présenter des caractéristiques
mécaniques proches de celles de l’os pour que son comportement
soit satisfaisant lors de charges importantes sur l’os réparé.
6.1 Apport des mousses métalliques
Du fait de son emploi fréquent dans le domaine médical, le titane
est le matériau le plus utilisé pour la fabrication de ces mousses.
Les recherches et les publications portent souvent sur les caractéristiques
comparées entre l’os et le titane. En effet, les modules
d’élasticité des deux matériaux sont assez éloignés, celui du titane
est de 110 GPa, alors que celui de l’os n’est que l’ordre de 20 GPa,
et cela peut poser problème, par exemple lors d’une forte sollicitation
sur un os réparé.
Heureusement, le taux de porosité et le mode de fabrication de la
mousse de titane impactent les caractéristiques mécaniques finales,
y compris le module d’élasticité, et il est ainsi possible de se
rapprocher du module d’élasticité de l’os.
Une autre solution consiste à changer de matériau ; des recherches
sur des composites (acier/ aluminium) fabriqués à partir de la
technologie des poudres font état d’un matériau léger adapté à la
fonction, sans préciser toutefois son niveau de biocompatibilité.
Logiquement, les propriétés recherchées pour ces mousses sont
d’une part les caractéristiques mécaniques, par rapport à celles de
l’os, et d’autre part les facteurs permettant de favoriser l’acceptation
de la mousse par l’organisme.
Ces caractéristiques importantes peuvent être prévues
(figure 25), dans le cas de fabrication de mousse par méthode
additive, grâce à des modélisations [33] qui sont ensuite confrontées
aux valeurs réelles.
6.2 Matériaux employés
Les mousses métalliques répondent en termes de biocompatibilité
car certains métaux utilisables pour leur fabrication ont déjà été
testés et validés de ce point de vue. Il s’agit principalement du
titane (déjà cité précédemment) utilisé comme matériau constitutif
des mousses métalliques, pour la fabrication des implants ou des
prothèses. Le tantale est également retenu pour réaliser des structures
poreuses à des fins médicales.
La comparaison entre les mousses de titane (Pliviopore‚) etde
tantale (Trabecular Metal) [34] indique que les deux matériaux
ont un comportement semblable en termes de biocompatibilité.
Par ailleurs, leurs caractéristiques mécaniques respectives restent
proches [35].
E (GPa)
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
Prédiction
Essais
0
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Densité apparente
Figure 25 – Évolution du module d’élasticité (d’après [33])
N3801–18
Des publications de recherche font également état de matériaux
bimétalliques (acier aluminium) qui présentent l’intérêt d’avoir un
module d’élasticité particulièrement proche de celui de l’os naturel.
6.3 Cellules
Le choix de la taille et de la forme des cellules de la mousse est
complexe compte tenu des différentes fonctions médicales
recherchées :
bonne intégration dans le squelette,
colonisation cellulaire,
diffusion/rétention des protéines,
formation de capillaires sanguins, revascularisation des tissus
osseux…
Néanmoins, la structure recherchée correspond généralement à
une macroporosité ouverte de 50 % minimum avec des pores interconnectés
de 200 à 1500 mm.
Recours à des solutions numériques
Pour pallier ces besoins en différentes tailles de cellules, des
solutions numériques ont été exploitées. Elles permettent une
maîtrise complète à la fois de la forme externe de l’implant et
de la structure cellulaire interne. Deux voies sont employées
après mesures et conception CAO du modèle à réaliser.
La première consiste à obtenir, par prototypage, un modèle,
généralement en cire ou en résine, qui servira à réaliser un
moule. Une fois le moule obtenu, le modèle est détruit et remplacé
par l’alliage liquide, la fusion s’effectuant sous vide compte
tenu de la spécificité delamétallurgie du titane. Le procédé utilisé
est très proche de la technique de fonderie cire perdue.
La seconde utilise une technologie additive, directement à partir
de poudre de titane fondue par un faisceau laser.
Ces techniques font l’objet de nombreux développements et
brevets [B1] [B4].
Des techniques de fabrication, consistant à développer successivement
deux tailles de cellules, ont également été mises au point.
La surface de la mousse n’est généralement pas laissée brute de
fabrication, mais soumise à des traitements spécifiques souvent
complexes [36] et destinés à accroître la biocompatibilité du matériau.
Les chiffrages de biocompatibilité induisent souvent des expériences
sur les animaux [36] pour permettre de mesurer la croissance
de l’os (figure 26) dans la mousse métallique. Une autre
solution d’étude consiste à pratiquer une culture de cellules [37] et
à étudier leur croissance.
20,0 kV x 1000 10µm
b
20,0 kV x 1000 10µm
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avancement du front de croissance de l’os (en rouge) dans
une mousse de titane (en blanc)
100 µm
a b structure de la mousse (respectivement brute et après traitement)
c
a
c
Figure 26 – Mesures de croissance de l’os dans la mousse métallique
(source : Biomaterials 26 (2005) 6014-6023)