Une nouvelle étude révèle que les implants médicaux en titane sont très efficaces
Procédé d'impression 3D en titane
Français Par rapport au processus traditionnel, les avantages de la technologie d'impression 3D pour fabriquer des figures d'implants chirurgicaux personnalisés se reflètent principalement dans : les caractéristiques de formage libre de l'impression 3D peuvent personnaliser rapidement et avec précision l'implant interne, peuvent surmonter la forme de la figure d'implant universel traditionnel qui est incompatible avec le corps humain et ses propriétés mécaniques ne sont pas à la hauteur des problèmes standard ; Dans la fabrication de structures complexes et de produits difficiles à traiter, les microstructures personnalisées, en particulier les structures poreuses traversantes, peuvent non seulement répondre à des propriétés physiques et chimiques spécifiques, mais également améliorer la biohistocompatibilité.
Cette série d'avantages permet de surmonter efficacement les problèmes courants de résistance aux contraintes et de faible activité biologique des implants. Actuellement, les alliages de titane les plus couramment utilisés pour l'impression 3D sont les technologies SLM et EBM.
La fusion sélective par laser (SLM) utilise le laser comme source de chaleur pour irradier sélectivement des matériaux en poudre pré-déposés afin d'obtenir un formage par fusion rapide. Son principe de fonctionnement principal est le suivant : sous protection par gaz inerte, l'instrument et l'équipementPMcontrôler le faisceau laser en fonction du chemin de balayage de remplissage généré par le mode de conception du système pour sélectionner et faire fondre chaque couche de poudre.
Ensuite, la plate-forme est déplacée vers le bas, la poudre est à nouveau déposée et Frittage La technologie SLM est répétée jusqu'à la formation complète de la forme. La protection par gaz inerte empêche le métal de réagir avec d'autres gaz à haute température. La technologie SLM offre une large gamme de matériaux de formage, est économe en matériaux et recyclable, et ne nécessite pas de conception ni de préparation de systèmes de support complexes. Ces avantages expliquent son utilisation croissante.
Cependant, la technologie SLM présente également des inconvénients : en raison de la puissance laser limitée et de l'angle de déviation du galvanomètre à balayage, la gamme de tailles des pièces préparées par SLM sera limitée ; les lasers de haute puissance et les équipements optiques de haute qualité sont coûteux à fabriquer, ce qui augmente quelque peu la charge économique. En raison de l'utilisation de matériaux en poudre dans la technologie SLM, la qualité de surface des pièces moulées peut être problématique, ce qui nécessite un traitement secondaire du produit pour les travaux ultérieurs ; des défauts de sphéroïdisation et de gauchissement peuvent également survenir au cours du processus de traitement, ce qui nécessite une étape supplémentaire pour optimiser strictement la procédure de traitement. La fusion par faisceau d'électrons (EBM) est un procédé qui utilise un faisceau d'électrons comme source de chaleur pour faire fondre la poudre métallique couche par couche sous vide pour la fabrication additive.
Son principe de fonctionnement est le suivant : poudre pré-revêtue, déviation du faisceau d'électrons à haute énergie après focalisation pour produire une énergie élevée dans la petite zone locale pour balayer la couche de poudre pour produire une température élevée et une fusion uniforme, 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.
Une fois la couche actuelle terminée, répétez l'opération de dépôt de poudre pour la former. Lors de sa production, l'EBM adopte un environnement de fusion à l'air libre afin de garantir une résistance élevée du matériau et d'éviter l'oxydation de l'alliage. Comparé au SLM, l'EBM présente les principaux avantages suivants : une production efficace du faisceau d'électrons, une consommation énergétique réduite, une cadence de production élevée, permettant ainsi une puissance totale de la machine élevée ; la déviation du faisceau d'électrons ne nécessite aucun déplacement de l'équipement, ce qui améliore encore la vitesse de numérisation. L'excellent environnement thermique garantit la stabilité de forme des pièces imprimées en 3D, garantit leurs propriétés mécaniques statiques, répond aux exigences biologiques et permet le recyclage de la poudre métallique.
L'état et les progrès des implants chirurgicaux imprimés en 3D
Les implants chirurgicaux et les orthèses imprimés en 3D offrent des perspectives d'application prometteuses en ostéologie. Aujourd'hui, leur nombre ne cesse de croître. Matériaux d'implants imprimés en 3D Des dispositifs tels que des prothèses auditives, des prothèses de membres, des guides de chirurgie orthopédique personnalisés, des articulations artificielles, des oreilles externes artificielles, des implants dentaires personnalisés et d'autres applications en traitement clinique personnalisé sont également disponibles. Selon certaines sources, en 2014, des chercheurs de l'Université de Pékin ont implanté avec succès chez un garçon de 12 ans une colonne vertébrale artificielle personnalisée imprimée en 3D et dotée de micro-trous, une première mondiale. La même année, des médecins et des scientifiques ont équipé une fillette de 5 ans en Écosse d'une prothèse de paume imprimée en 3D.
Le Centre de stomatologie du 411e Hôpital de l'Armée populaire de libération a utilisé avec succès la technologie EBM pour personnaliser et implanter un implant mandibulaire en alliage de titane, avec une simulation anatomique hautement personnalisée, chez un patient ayant subi une résection hémimaxillaire. L'opération a permis de réaliser simultanément la résection de la mandibule malade et une réparation fonctionnelle personnalisée, et la mandibule défectueuse a été réparée et reconstruite individuellement. Les suites opératoires ont été satisfaisantes. Lethaus B. et d'autres chercheurs ont utilisé l'impression 3D pour reconstruire des lambeaux osseux et microvasculaires chez 20 patients ayant subi une résection mandibulaire, ce qui a permis de réduire la durée et d'améliorer la qualité opératoire, et d'obtenir de bons résultats postopératoires. Ces dernières années, de nombreuses nouvelles et recherches similaires ont émergé, ce qui témoigne des perspectives prometteuses d'application de l'impression 3D dans le domaine médical.
Du côté des produits orthopédiques, les matériaux pour implants chirurgicaux imprimés en 3D progressent également vers la commercialisation. En 2007, des cotyles bio-imprimés en 3D avec échafaudages en tissus durs, développés 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 corporelle entièrement en titane produit par l'entreprise américaine AMT par impression 3D a également obtenu la certification CE de l'UE. En 2013, le premier implant crânien bio-imprimé aux États-Unis a été approuvé par la FDA, ce qui constitue également la première figurine crânienne personnalisée en PEEK imprimée en 3D au monde.
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 (articulation artificielle de la hanche), développé par le Troisième Hôpital de Médecine de Pékin et Beijing Aikang Yicheng Medical Equipment Co., LTD., a été homologué par la Food and Drug Administration (FDA). L'articulation de la hanche imprimée en 3D est entrée en production de masse, ce qui signifie que les implants imprimés en 3D chinois sont également entrés en production.
L'impression 3D joue un rôle de plus en plus important dans l'innovation scientifique et technologique médicale. La recherche et l'application de prothèses implantaires personnalisées, de membres prothétiques, d'implants dentaires et autres domaines d'application sont également de plus en plus importantes. L'évaluation de la biosécurité des implants fabriqués par ce nouveau procédé requiert donc une attention accrue.
Recherche sur la biosécurité de l'impression 3D de titane
La sécurité des matériaux biomédicaux se reflète principalement dans l'interaction entre les tissus et les matériaux. Pour que les matériaux métalliques biomédicaux répondent aux normes des dispositifs implantés, il est nécessaire que la réaction provoquée par l'implantation dans le corps humain soit acceptable et, parallèlement, qu'elle ne puisse pas induire de modifications qualitatives de la structure et des propriétés du matériau. L'interaction entre les tissus humains se reflète principalement dans leur biocompatibilité et leur fonction biologique.
Par conséquent, après implantation dans le corps humain, l'implant ne doit pas provoquer d'effets indésirables tels qu'allergies, inflammations et réactions chimiques au niveau des cellules, du sang et des organes humains, ni de rejet de corps étrangers. Parallèlement, les implants destinés à une implantation prolongée doivent présenter de bonnes propriétés mécaniques statiques, à savoir une résistance suffisante, un module d'élasticité approprié, une stabilité élevée, une bonne résistance à la corrosion et une durabilité à long terme. L'implantation chirurgicale d'alliages de titane est désormais largement utilisée en pratique clinique, et la recherche sur la biocompatibilité est également avancée. Par conséquent, la sécurité des pièces en alliage de titane imprimées en 3D repose principalement sur la sécurité de leur fonction biomécanique.
Des recherches sont toujours en cours pour déterminer si l'implant métallique imprimé en 3D est comparable aux implants classiques en termes de propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion et de biocompatibilité, et si certaines propriétés mécaniques statiques de l'implant en alliage répondent aux exigences cliniques et aux normes nationales. Il a été constaté que les propriétés mécaniques statiques partielles des implants en titane imprimés en 3D répondent aux besoins cliniques. Des échantillons de Ti6A14V préparés par la technique EBM ont été testés par traction directe et par compression isostatique à chaud. Les résultats ont montré que la résistance des échantillons de TI6A14V dépassait la norme de 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 dissolution ionique dans l'environnement salivaire simulé est inférieure à celle de l'alliage obtenu par impression 3D. La société EOS a constaté que le produit Ti6A14V préparé par la technologie DMLS présente les mêmes propriétés mécaniques statiques et la même résistance à la fatigue que le forgeage traditionnel, grâce à un post-traitement raisonnable. Le dispositif de fusion vertébrale en alliage de titane poreux préparé par EBM a été implanté dans le corps d'une chèvre et a obtenu de bons résultats sur le modèle de fusion cervicale d'un mouton. L'interface os-matériau était meilleure qu'avec le dispositif de fusion PEEK.
Cliniquement, le module d'élasticité et les autres propriétés mécaniques de l'alliage de titane ne correspondent pas aux propriétés de l'os humain, ce qui entraîne un phénomène de « blindage de contrainte » dans le tissu osseux périphérique de l'implant et provoque l'ostéoporose, entraînant une absorption osseuse, un descellement, une perte et une défaillance de l'implant. Afin de réduire ce problème avec les implants en titane, les chercheurs se sont intéressés aux implants à structure poreuse. Des études ont montré que l'impression 3D permet d'ajuster la microstructure des implants avec une grande précision pour modifier leur module d'élasticité et leurs propriétés mécaniques, afin de les adapter au tissu osseux humain et d'améliorer encore leurs fonctions biomécaniques en garantissant une charge physiologique appropriée.
La structure contrôlée du corps Ti6AI4V a été fabriquée par formage EBM. La structure des vides internes s'est avérée conforme à la conception théorique au microscope électronique à balayage, ce qui a permis un contrôle précis de la structure des produits imprimés en 3D par EBM. Les essais de performance mécanique ont révélé une résistance à la compression de 163 MPa et un module d'élasticité de 14 MPa pour une porosité de 60,1 %, proche de celle de l'os humain. La culture cellulaire in vitro a également montré une bonne compatibilité cellulaire.
Les 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 nette supériorité dans la simulation de la compatibilité de phase et de l'adaptation d'implantation. Trois types de titane poreux de 300 g, 600 g et 900 µm, préparés par SLM, ont été implantés dans le tibia de lapin afin d'étudier l'effet du rapport de pores sur la croissance osseuse. Les résultats ont montré que le tissu osseux présentant une structure poreuse de 600 µm présentait une meilleure longueur et une meilleure biocompatibilité.
Du point de vue de la croissance osseuse, un support à porosité et ouverture ajustables favorisera la transmission des nutriments dans le corps humain. Il favorisera également la croissance osseuse, optimisera la compatibilité des implants avec les structures osseuses et prolongera la durée de vie de la prothèse, obtenant ainsi de meilleurs résultats médicaux qu'un alliage de titane à structure solide. Ces dernières années, l'alliage de titane multi-trous est progressivement considéré comme le matériau clinique le plus adapté à la réparation et au remplacement des tissus durs. L'application d'implants en alliage de titane imprimés en 3D, présentant diverses structures microscopiques ou traversantes, a également ouvert de nouveaux horizons.