Les métaux biomédicaux, également connus sous le nom de métaux pour implants chirurgicaux, sont des alliages utilisés pour le diagnostic, le traitement et le remplacement ou l'amélioration de la fonction des tissus dans le corps. Le métal a été l'un des premiers matériaux médicaux utilisés, remontant même à 400 ou 300 ans avant J.-C., lorsque les Phéniciens utilisaient des fils pour réparer les dents manquantes. Dans les années 1930, avec l'utilisation réussie de l'alliage cobalt-chrome, de l'acier inoxydable et de l'alliage de titane en dentisterie et en orthopédie, les matériaux biomédicaux métalliques sont devenus un sujet d'actualité dans le domaine de la recherche chirurgicale. Dans les années 1970, l'application réussie de l'alliage à mémoire de forme Ni-Ti en médecine clinique et le développement de matériaux de revêtement biomédical sur les surfaces métalliques ont favorisé les applications des alliages métalliques biomédicaux. Les matériaux métalliques biomédicaux doivent répondre aux exigences suivantes :

  • Bonnes propriétés mécaniques

Les matériaux métalliques biomédicaux doivent généralement être légers, avoir une excellente résistance et ténacité, un faible module d'élasticité, une bonne résistance à la fatigue, une bonne résistance au fluage, la résistance nécessaire à l'usure et l'autolubrification. En raison d'une blessure, d'une tumeur et d'autres facteurs, les os et les articulations sont endommagés et il est nécessaire d'établir un échafaudage osseux stable avec une plaque d'arc, une vis, un os artificiel et une articulation. Ces implants à long terme sont soumis à des flexions, à des pressions et à des contractions musculaires, et nécessitent une résistance et une ténacité élevées.

  • Excellente résistance à la corrosion

La corrosion des matériaux métalliques médicaux est principalement causée par : la corrosion uniforme générale : la surface des matériaux implantés est exposée à l'environnement physiologique humain et une action électrolytique se produit ; la corrosion ponctuelle causée par le mélange des matériaux de l'implant avec des impuretés ; la corrosion intergranulaire causée par différents composants et propriétés physiques et chimiques ; la corrosion galvanique causée par une utilisation mixte de matériaux ayant une énergie d'ionisation différente ; l'usure et la corrosion entre l'implant et le tissu humain ; la corrosion sous contrainte causée par la concentration de contraintes dans une partie du matériau implanté en raison de la charge ; la corrosion par fatigue due à la fracture du matériau de l'implant et ainsi de suite.

  • Biocompatibilité

La biocompatibilité est un indicateur important pour mesurer la qualité des matériaux. Elle fait référence à la tolérance et à l'adaptation mutuelles du tissu humain et du matériau de l'implant, c'est-à-dire à la question de savoir si le matériau de l'implant causera des dommages, une toxicité ou d'autres préjudices au tissu humain. Les matériaux biomédicaux ne doivent pas avoir de toxicité, de stimulation, de cancérogenèse, de mutation ou d'autres effets sur le corps humain. Pas de réaction de rejet dans le corps humain ; forte liaison avec l'os et les autres tissus environnants, de préférence chimiquement liée et biologiquement active ; pas d'hémolyse, pas de réaction de coagulation, c'est-à-dire avec un antithrombotique.

  • Pas de magnétisme

Les matériaux métalliques ne sont pas affectés par les champs électromagnétiques et les orages, ce qui est propice à la sécurité humaine.

Comparés aux matériaux polymères, aux matériaux composites, aux matériaux hybrides et dérivés et à d'autres matériaux biomédicaux, les matériaux médicaux métalliques offrent une grande résistance, une bonne ténacité et une bonne résistance à la fatigue par flexion, d'excellentes performances d'usinage et d'autres excellentes propriétés, qui ont été les matériaux d'implants les plus largement utilisés dans l'application clinique. La technologie d'impression 3D des métaux a permis de généraliser l'utilisation des matériaux médicaux métalliques, dont les applications typiques sont les plaques de fixation interne des fractures, les vis, les articulations artificielles et les implants de racines dentaires. Actuellement, les matériaux métalliques médicaux comprennent principalement l'acier inoxydable, l'alliage de cobalt, l'alliage de titane, l'alliage à mémoire de forme, les métaux précieux et les métaux purs comme le tantale, le niobium, le zirconium, etc.

Acier inoxydable

L'acier inoxydable médical est l'un des premiers alliages biomédicaux utilisés. Il est facile à traiter, son prix est bas, il offre une bonne résistance à la corrosion et une bonne limite d'élasticité et peut être amélioré par le traitement à froid, ce qui permet d'éviter les fractures dues à la fatigue. Le type le plus couramment utilisé est l'acier inoxydable austénitique 304/304L, 316/316L et 317L, qui sert à fabriquer des instruments médicaux tels que des couteaux, des ciseaux, des pinces hémostatiques, des aiguilles, des composants d'implants chirurgicaux tels que des articulations artificielles, des fixateurs internes de fracture, des orthèses dentaires, des valvules cardiaques artificielles et d'autres dispositifs implantés.

La biocompatibilité de l'acier inoxydable médical implique la réaction tissulaire provoquée par la dissolution des ions métalliques causée par la corrosion ou l'usure après l'implantation de l'acier inoxydable dans le corps humain. Un grand nombre de données cliniques montrent que la corrosion de l'acier inoxydable médical entraîne une mauvaise stabilité de l'implantation à long terme, et que sa densité et son module d'élasticité sont très éloignés des tissus durs humains, ce qui entraîne une mauvaise compatibilité mécanique. La corrosion peut entraîner la précipitation d'ions métalliques tels que les ions nickel (l'acier inoxydable médical austénitique général contient environ 10% de nickel) ou d'autres composés dans les tissus environnants ou dans le corps entier, ce qui provoque des réactions histologiques indésirables telles que l'œdème, l'infection, la nécrose des tissus, la douleur et les réactions allergiques. Ces aciers inoxydables austénitiques ont été progressivement remplacés par de nouveaux aciers inoxydables médicaux avec ou sans nickel.

Alliage de cobalt

L'alliage de cobalt est également un matériau médical métallique couramment utilisé dans les traitements médicaux. Comparé à l'acier inoxydable, l'alliage de cobalt médical convient mieux à la fabrication d'implants à long terme pour l'environnement du corps humain, et sa résistance à la corrosion est 40 fois supérieure à celle de l'acier inoxydable. Le premier alliage de cobalt médical était un alliage de cobalt-chrome-molybdène (Co-Cr-Mo). Plus tard, un alliage forgé de cobalt-nickel-chrome-aluminium-tungstène (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) présentant une bonne résistance à la fatigue et un alliage cobalt-nickel-chrome-aluminium MP35N à structure multiphase ont été développés et appliqués, ce qui a été inclus dans la norme ISO5582/4. L'alliage de cobalt est principalement utilisé pour fabriquer des hanches artificielles, des genoux, des clous de boucle d'articulation, des plaques osseuses, des clous et des aiguilles.

L'alliage de cobalt reste passivé dans le corps humain, et son film passivé est plus stable que celui de l'acier inoxydable, avec une meilleure résistance à la corrosion et à l'usure, sans réaction histologique évidente après l'implantation dans le corps humain. Mais les alliages de cobalt présentent des inconvénients inévitables : ils sont chers ; l'usure et la corrosion entraînent la dissolution du plasma de Co et de Ni et provoquent des allergies, ou la nécrose des cellules et des tissus, ce qui entraîne des douleurs et un relâchement des articulations. Ces dernières années, la technologie de modification de la surface a permis d'améliorer les propriétés de surface de l'alliage de cobalt et d'améliorer efficacement son effet clinique.

Alliage de titane

L'alliage de titane est l'un des métaux les plus biocompatibles connus en raison de ses avantages incomparables : léger, non toxique, non magnétique, excellente résistance à l'usure et à la corrosion. Le titane et ses alliages sont principalement utilisés en chirurgie plastique, notamment pour la reconstruction des os des membres et du crâne, ainsi que pour divers dispositifs de fixation interne des fractures, des articulations artificielles, du crâne et de la dure-mère, des valves cardiaques artificielles, des dents, des gencives, des anneaux de soutien et des couronnes. L'alliage de titane le plus utilisé est l'alliage de titane а+β Ti-6A1-4V, qui représente plus de 80% du marché mondial des alliages de titane biomédicaux, dont la résistance et les propriétés mécaniques peuvent être considérablement améliorées par un traitement en solution d'or et un traitement de vieillissement.

La densité du titane et de l'alliage de titane est d'environ 4,5 g/cm3, soit près de la moitié de celle de l'acier inoxydable et de l'alliage de cobalt, plus proche des tissus durs du corps humain, et sa biocompatibilité, sa résistance à la corrosion et sa résistance à la fatigue sont meilleures que celles de l'acier inoxydable et de l'alliage de cobalt, ce qui en fait le meilleur matériau médical métallique à l'heure actuelle. L'affinité entre le titane et l'alliage de titane et le corps humain provient de la capacité à induire le dépôt d'ions calcium et phosphore dans le fluide corporel pour générer de l'apatite par un film passivé dense d'oxyde de titane (TiO2) sur sa surface après l'implantation, montrant une certaine activité biologique et une capacité de liaison osseuse, particulièrement adaptée à l'implantation osseuse. Il a été rapporté que l'élément V provoque des réactions malignes des tissus et peut avoir des effets secondaires toxiques sur le corps humain, tandis que l'Al peut provoquer des maladies telles que l'ostéoporose et des troubles mentaux. C'est pourquoi les scientifiques spécialisés dans les biomatériaux développent actuellement des alliages de titane β présentant une meilleure biocompatibilité et un module d'élasticité plus faible.

Alliage de zirconium

L'alliage à base de zirconium est largement utilisé comme matériau de remplacement des tissus durs humains en raison de son faible module d'élasticité, de sa résistance élevée, de sa bonne ténacité, de sa bonne résistance à la corrosion, de sa non-toxicité, de sa bonne biocompatibilité et d'autres avantages.

Le Zr et le Ti peuvent se dissoudre l'un dans l'autre, ce qui indique qu'ils ont des propriétés physiques et chimiques similaires. Le Zr est souvent ajouté aux alliages de Ti en tant qu'élément d'alliage afin d'améliorer les propriétés mécaniques des alliages de Ti. Ces dernières années, de nouveaux matériaux d'alliage biomédicaux ont été développés en renforçant l'alliage de Zr avec des éléments d'alliage non toxiques et en optimisant ses propriétés.

Alliage à mémoire de forme

L'alliage à mémoire de forme (SMA) est un nouveau type de matériau fonctionnel qui peut subir une transformation de phase sous l'action de la température et de la contrainte. Il possède un effet de mémoire de forme unique et une pseudo-élasticité de transformation de phase. On a constaté qu'il existe de nombreux types d'alliages à mémoire de forme, qui peuvent être divisés en alliages de nickel-titane, alliages de cuivre et alliages de fer. Parmi eux, les alliages à mémoire de forme nickel-titane sont largement utilisés en chirurgie plastique et en stomatologie, comme les stents autogonflants, en particulier les stents cardiovasculaires. La température de récupération de la mémoire de forme de l'alliage à mémoire de forme nickel-titane médical est de 36±2℃, ce qui est conforme à la température du corps humain et montre une biocompatibilité comparable à celle de l'alliage de titane. Mais comme les alliages à mémoire de forme nickel-titane contiennent une grande quantité de nickel, les ions nickel peuvent se répandre dans les tissus environnants et pénétrer, provoquant une nécrose des cellules et des tissus si la surface n'est pas correctement traitée.