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Article

1 - SPÉCIFICATIONS REQUISES DES MATÉRIAUX POUR LES APPLICATIONS BIOMÉDICALES

2 - ÉVOLUTION DES ALLIAGES UTILISÉS

3 - FORMULATION ET CRITÈRE DE CHOIX DES ALLIAGES DE TITANE BÊTA-MÉTASTABLE

4 - COMPORTEMENT DES ALLIAGES DE TITANE BÊTA-MÉTASTABLE

5 - STRATÉGIE D'OPTIMISATION

6 - EFFET DU MODULE D'ÉLASTICITÉ D'UN IMPLANT DENTAIRE SUR LE TRANSFERT DE CHARGE DANS L'OS

7 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : M4781 v1

Stratégie d'optimisation
Titane et alliages - Des matériaux de choix pour les applications médicales

Auteur(s) : Pascal LAHEURTE, Wafa ELMAY, Frédéric PRIMA, Thierry GLORIANT

Relu et validé le 01 sept. 2023

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RÉSUMÉ

Le remodelage osseux dépend en grande partie des propriétés mécaniques de l'implant. Cet article a pour objectif de présenter l'intérêt des alliages de titane à bas module d'élasticité pour les applications médicales tels que les implants et les prothèses. Sont tout d'abord rappelés les aspects biochimique et mécanique à l'interface os/implant. Les différentes formulations et critères de choix conduisant à de nouveaux alliages à bas module d'élasticité sont ensuite présentés, ainsi que les comportements mécaniques qui en découlent. Pour compléter l'approche, sont abordées les stratégies d'optimisation de ces alliages, ainsi qu'une illustration par l'exemple de l'élasticité d'un implant dentaire.

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ABSTRACT

Titanium and titanium alloys. Suitable materials for medical applications

Bone remodeling depends largely on the mechanical properties of the implant. This article aims to present the interest of titanium alloys with low elastic modulus for medical applications such as implants and prostheses. In chapter 1 are recalled briefly the biochemical and mechanical aspects at the bone/implant interface. Chapter 2 provides the chronological evolution of the development of titanium alloys for medical applications. Chapter 3 describes the various formulation approaches leading to obtain new titanium alloys with low elastic modulus. The mechanical behavior of titanium alloys is presented in the 4th chapter. The optimization strategies are presented in the 5th chapter. The last chapter illustrates the effects of the elastic modulus of a dental implant on the stress distribution in the peri-implanted bone.

Auteur(s)

  • Pascal LAHEURTE : Maître de conférences - Laboratoire d'étude des microstructures et de mécanique des matériaux - Université de Lorraine, France

  • Wafa ELMAY : Docteur-Ingénieur en matériaux - Arts et métiers Paris Tech, Metz, France

  • Frédéric PRIMA : Équipe de Métallurgie Structurale - Institut de Recherche de Chimie Paris (UMR 8247), ParisTech, France

  • Thierry GLORIANT : Laboratoire de Chimie-Métallurgie, INSA, Rennes, France

INTRODUCTION

L'intérêt porté aux alliages de titane utilisés dans le domaine médical pour le remplacement et la reconstruction des tissus osseux s'est considérablement accru durant les dernières décennies. Leurs champs d'application sont vastes : chirurgie maxillo-faciale, ORL, orthopédique, implantologie... Ces alliages représentent un enjeu économique et sociétal considérable. Du fait de l'augmentation de l'espérance de vie, ces matériaux sont amenés à répondre à un cahier des charges de plus en plus exigeant en termes de biocompatibilité chimique, mais également mécanique afin de perdurer dans le corps humain. Le succès de l'opération repose en grande partie sur les mécanismes complexes d'ostéointégration comportant à la fois des aspects mécanique et biochimique se produisant à l'interface implant/tissus environnants.

L'ostéointégration d'origine mécanique, qui conditionne une grande part du remodelage osseux (c'est-à-dire la réponse cicatricielle de l'os), a été longtemps ignorée dans les problématiques de choix des biomatériaux lors de la conception des prothèses et implants. Les critères recherchés se sont longtemps essentiellement limités à une bonne tenue à la corrosion, une résistance mécanique élevée et une bonne ductilité pour faciliter la mise en forme. Or, la présence d"un implant dans l"os conduit à une redistribution des contraintes mécaniques (phénomène appelé « stress-shielding »). Une trop forte différence de rigidité entre l'os et l'implant entraîne l'apparition de zones de concentration des contraintes et de zones non chargées à l'origine de nécrose ou d'ostéolyse qui compromettent la tenue de l'implant. Les propriétés mécaniques des implants/prothèses, et particulièrement le module d'élasticité, doivent donc être soigneusement adaptées, car elles conditionnent la qualité du transfert de contrainte à l'interface implant/os.

Le titane pur et l'alliage TA6V sont des matériaux qui offrent le meilleur compromis en termes de combinaison de propriétés, en particulier en raison de leur module élastique (E = 100 GPa) (deux fois plus faible que celui des aciers), une résistance élevée de l'ordre de 900 à 1 000 MPa et une biocompatibilté reconnue pour le titane. Cependant, l'adéquation du module d'élasticité de ces alliages avec celui de l'os cortical n'est pas parfaite ; ce dernier étant évalué à 20 à 30 GPa. De plus, la présence d'éléments comme le vanadium ou l'aluminium engendre des risques de toxicité évoqués par les professionnels de la santé parmi les causes d'échec de l'implant.

Les recherches se sont donc récemment orientées vers le développement de nouveaux alliages de titane, dont le biomimétisme prendrait en compte l'adaptation des propriétés mécaniques des implants à la matrice osseuse. Les alliages de titane, comportant uniquement des éléments non toxiques, représentent une excellente alternative aux matériaux cités précédemment. Plus particulièrement, les alliages de titane de type β-métastable suscitent un grand intérêt pour les applications biomédicales. Du fait de leurs caractéristiques métallurgiques, ces alliages disposent d'une très large gamme de propriétés qui peuvent être modulées par des traitements thermiques et/ou mécaniques, en vue d'obtenir un meilleur compromis entre les propriétés mécaniques et élastiques et de répondre au mieux aux spécificités requises pour les applications envisagées.

Cet article a pour objectif de présenter l'intérêt des alliages de titane à bas module d'élasticité pour la réalisation d'implants et de prothèses. Ces alliages, objet de récentes études, ont vocation à mieux prendre en compte les différences de comportement mécanique et tout particulièrement le comportement élastique à l'interface os/implant, mieux que ne le fait le titane pur et l'alliage TA6V.

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KEYWORDS

mechanical biocompatibility   |   metastable phases   |   martensitic transformation   |   implantology   |   prosthesis

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m4781


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5. Stratégie d'optimisation

L'adaptation des propriétés mécaniques de ces alliages pour les applications biomédicales nécessite le développement de stratégie permettant d'augmenter les niveaux de contrainte tout en conservant un bas module d'élasticité. En effet, dans l'implantologie, par exemple, des valeurs de 900 MPa sont fréquemment évoquées comme limite à la rupture.

Cependant, si le module apparent d'élasticité d'alliages de titane β-métastable après trempe est remarquablement bas, leur résistance mécanique est insuffisante. Les niveaux de contrainte critique pour déclencher la transformation martensitique sont faibles et conduisent rapidement à la déformation plastique puis à la rupture. L'optimisation de leurs propriétés fait l'objet ces dernières années de nombreuses études et différentes voies ont été explorées.

5.1 Durcissement par ajout d'éléments interstitiels

L'ajout d'oxygène ou d'azote dans les alliages de titane β-métastable stabilise la phase β par rapport à la transformation martensitique α″ et donc abaisse la température Ms  . Pour l'alliage Ti-22Nb, cette baisse de la température est évaluée à 160 K par at.% ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - STEINEMANN (S.) -   Corrosion of surgical implants-in vivo and in vitro tests, Evaluation of biomaterials. Advances in biomaterials.  -  John Wiley and Sons, p. 1-34 (1980).

  • (2) - WOLFF (J.) -   The law of bone remodeling [translated from the 1892 original] Das Gesetz der Transformation der Knochen.  -  Springer Verlag (1986).

  • (3) - LONG (M.), RACK (H.J.) -   Titanium alloys in total joint replacement – A materials science perspective.  -  Biomaterials., vol. 19, p. 1621-1639 (1998).

  • (4) - SUMNER (D.R.), TURNER (D.M.), IGLORIA (R.), URBAN (R.M.), GALANTE (J.O.) -   Functional adaptation and ingrowth of bone vary as a function of hip implant stiffness.  -  Journal of Biomechanics., vol. 31, p. 909-917 (1998).

  • (5) - GLASSMAN (A.H.), CROWNINSHIELD (R.D.), SCHENCK (R.), HERBERTS (P.) -   A low stiffness composite biologically fixed prosthesis.  -  Clinical Orthopaedics and Related Research., vol. 393, p. 128-136 (2001).

  • ...

ANNEXES

  1. 1 Brevet

    1 Brevet

    Procédé de traitement thermomécanique d'un alliage de titane, alliage et prothèse ainsi obtenus. Inventeurs : LAHEURTE (P.), PRIMA (F.), GLORIANT (T.), ELMAY (W.), EBERHARDT (A.), PATOOR (E.) ; 16 mars 2013, Brevet WO 2013/068366 A1.

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