Qu'est-ce que l'alliage de titane poreux et à quoi sert-il ?

Le titane et les alliages de titane présentent divers avantages incomparables, tels qu'une faible densité, un rapport de résistance élevé, une bonne résistance à la corrosion, une résistance à la fatigue et une biocompatibilité. Ils sont considérés comme l'un des biomatériaux les plus idéaux à l'heure actuelle et sont devenus les matériaux préférés des cliniciens pour l'implantation osseuse et la réparation des dents. Cependant, le module d'élasticité du titane et des alliages de titane varie de 50 à 114 GPa, et le module d'élasticité le plus couramment utilisé est le module d'élasticité des alliages de titane. Ti6Al4V est de 110GP, ce qui est beaucoup plus élevé que le module d'élasticité de l'os humain (0,02 à 20GPa). L'inadéquation du module d'élasticité entraîne un mauvais transfert de charge de l'implant au tissu osseux adjacent, ce qui provoque un phénomène de "stress shielding" (protection contre les contraintes), qui conduit à l'absorption osseuse, à l'amincissement progressif de l'os cortical et au descellement de l'implant, voire à l'échec de la chirurgie. En outre, la simple liaison mécanique entre l'implant métallique fragile et le tissu osseux humain affecte la durée de vie de l'implant. Il est donc nécessaire de mettre au point un nouveau matériau médical capable de reproduire les propriétés mécaniques du tissu osseux et de favoriser la croissance et la cicatrisation du tissu osseux. Les implants en Ti poreux, c'est-à-dire en Ti ou en alliage de titane avec des structures poreuses, sont de plus en plus au cœur de la recherche.

La structure poreuse est très similaire à la microstructure de l'os humain et présente les caractéristiques suivantes : faible densité, grande surface spécifique et bonne absorption d'énergie. L'alliage de titane poreux combine d'excellentes propriétés physiques et chimiques de l'alliage de titane et de la structure poreuse, ce qui peut être utilisé pour simuler la structure trabéculaire de l'os humain et réduire le module d'élasticité de l'alliage de titane dense. La structure poreuse unique du Ti poreux et de l'alliage de titane favorise le transport des fluides corporels et des nutriments, et sa surface rugueuse favorise la différenciation et la croissance de nouveaux tissus osseux dans l'implant, encourageant la formation rapide de tissus osseux à l'intérieur du pore et un lien efficace avec les tissus osseux externes, de sorte qu'ils améliorent la force de liaison sous la forme d'une liaison osseuse. L'alliage de titane poreux est actuellement utilisé dans les implants osseux humains, l'arthroplastie de la hanche, etc. et est considéré comme l'un des matériaux biomédicaux les plus prometteurs à l'heure actuelle. Cependant, il n'existe pas de conclusion unifiée sur la taille optimale des pores, la porosité et d'autres paramètres géométriques.

Après l'acier inoxydable et l'alliage de cobalt, le titane poreux et l'alliage de titane sont devenus la troisième génération de matériaux métalliques médicaux émergeant dans le domaine des traitements médicaux et cliniques. L'excellent matériau pour le remplacement des tissus durs humains doit répondre aux exigences suivantes :

• Propriétés mécaniques similaires à celles de l'os humain. Les propriétés mécaniques telles que le module d'élasticité sont les principales raisons pour lesquelles le Ti poreux doit être considéré comme un matériau de substitution du tissu osseux humain. Il possède également un module élastique correspondant à celui de l'os humain (module élastique de l'os compact 3~30 GPa, module élastique de l'os spongieux 1~2 GPa) et une résistance mécanique suffisante (résistance à la compression de l'os compact 0,3~1,5 MPa, résistance à la compression de l'os spongieux 100~230 MPa). Par conséquent, la relation entre la porosité, la résistance et le module d'élasticité doit être prise en compte de manière globale. L'alliage poreux de Ti équilibre la résistance et le module d'élasticité et répond aux exigences de charge in vivo et présente une compatibilité mécanique.
• Bonne biocompatibilité et bioactivité. La biocompatibilité et la bioactivité sont les conditions préalables à une application clinique réussie des implants poreux en Ti, qui sont propices à l'adhésion, à la prolifération et à la croissance des ostéoblastes, et favorisent la croissance des cellules osseuses dans l'implant pour former la fixation biologique entre l'implant et l'os. La structure des pores connectés améliore la biocompatibilité des implants en Ti dans une certaine mesure, mais le Ti est un matériau bioinerte qui ne peut être combiné que mécaniquement avec les implants. Une composition chimique, une structure et des propriétés de surface appropriées peuvent améliorer l'activité biologique du Ti poreux, ce qui favorise la formation d'une bonne liaison osseuse entre l'implant et le tissu osseux. Par conséquent, la modification de la surface est très importante pour améliorer la biocompatibilité et la bioactivité du Ti poreux.
• Bonne porosité. Les propriétés mécaniques du Ti poreux ont été ajustées par la porosité, la taille des pores et la distribution des pores pour correspondre à l'os naturel. La porosité appropriée était de 50%-80% et la taille des pores de 150-500 μm, ce qui a également créé des conditions propices à la croissance des cellules vers l'intérieur et à la circulation des fluides.
• Bonne résistance à la corrosion. L'existence de pores entraîne une corrosion locale complexe du Ti poreux dans l'environnement des fluides corporels. La surface extrêmement étendue augmente le risque de réaction de contact entre l'implant et le fluide corporel, ce qui facilite les dommages dus à la corrosion. La vitesse de corrosion est étroitement liée à l'environnement du fluide corporel, à la porosité, à la morphologie et à la structure des pores, etc. On peut constater que la porosité et d'autres paramètres connexes sont également les clés du contrôle de la résistance à la corrosion du Ti poreux.

En tant que matériau de réparation osseuse le plus potentiel, le titane poreux doit supporter une certaine pression et avoir des propriétés mécaniques compatibles avec le tissu osseux afin d'éviter un échec chirurgical dû à une concentration de contraintes. Une bonne biocompatibilité et une bonne bioactivité sont également des conditions nécessaires à l'utilisation du titane poreux comme matériau d'implant orthopédique.

La structure poreuse tridimensionnelle connectée est une caractéristique importante du titane et des alliages de titane poreux biomédicaux. Les propriétés mécaniques idéales et la biocompatibilité sont étroitement liées au contrôle de la porosité et de la taille des pores, de sorte que la préparation des alliages poreux de titane et de titane est particulièrement importante. À l'heure actuelle, il existe de nombreuses méthodes de préparation du titane et des alliages de titane poreux, notamment le frittage, le formage rapide et le dépôt.

Méthode de frittage

La méthode de frittage est une méthode traditionnelle de préparation des matériaux métalliques, qui consiste à utiliser le métal comme matière première dans un vide ou une atmosphère protectrice par le biais d'un traitement thermique à haute température. La méthode de frittage est également une méthode courante de préparation du Ti poreux. Selon les différentes méthodes d'obtention de la structure poreuse, on peut distinguer la méthode de l'agent porogène, l'enchevêtrement des fibres, la méthode d'empilement des microsphères et le processus de trempage dans l'éponge.

Méthode de prototypage rapide

Le prototypage rapide (PR) est une méthode de fabrication de pièces solides en 3D de forme complexe contrôlée par un modèle CAO. Cette méthode est rapide, précise et permet de fabriquer des pièces solides de forme complexe. C'est une méthode idéale pour fabriquer des pièces poreuses. Ti. 3D l'impression, l'injection de gel et d'autres technologies de prototypage rapide.

Méthode de dépôt

Le titane et l'alliage de titane sont des biomatériaux inertes typiques. Afin de raccourcir la période de cicatrisation après l'implantation et d'améliorer la capacité de l'implant à se lier à l'os humain, l'activation de la surface du Ti poreux et de l'alliage de titane est une méthode efficace. Les méthodes de modification de la surface du Ti poreux et de l'alliage de titane comprennent principalement une méthode mécanique, une méthode physique, une méthode électrochimique, une méthode chimique et une méthode biochimique (dépôt réactif, électrodéposition, évaporation sous vide, pulvérisation de plasma, etc.)

Implants oraux et maxillo-faciaux

Le Ti et les alliages de titane sont couramment utilisés dans la réparation des dents et des os, mais leur module d'élasticité est toujours légèrement supérieur à celui de l'os autologue, ce qui limite l'utilisation du Ti comme matériau de réparation osseuse.En chirurgie buccale et maxillo-faciale, l'application de la technologie de fabrication additive aux implants poreux et aux implants fait encore l'objet de recherches en général, mais les expériences de simulation fournissent des données fiables.

Implant rachidien

Un dispositif de fusion intersomatique est un implant couramment utilisé pour les troubles de la colonne vertébrale, qui rétablit la hauteur du disque et permet la fusion osseuse. À l'heure actuelle, la société américaine Stryker, Nexxt Spine et Joimax en Allemagne ont obtenu une autorisation de mise sur le marché pour leurs produits de fusion en alliage de titane poreux, qui sont progressivement appliqués dans la pratique clinique.

Implant de hanche

La prothèse totale de hanche a été largement utilisée dans le traitement de la nécrose de la tête fémorale, de la fracture du col du fémur et d'autres maladies, et constitue l'une des prothèses articulaires les plus répandues. La cupule acétabulaire est un implant de hanche couramment utilisé. À l'heure actuelle, un certain nombre de cupules acétabulaires en alliage de titane poreux imprimées en 3D ont été enregistrées et approuvées.

En conclusion, le Ti poreux présente un avantage absolu dans le domaine des matériaux de réparation osseuse en médecine clinique à l'avenir, en raison de ses bonnes propriétés globales. Cependant, la recherche sur la modification de la surface, la bioactivation et le mécanisme d'induction du tissu osseux doit encore être étudiée de manière plus approfondie. Il est possible de préparer du Ti poreux présentant une meilleure adéquation entre la biomécanique et l'activité biologique en sélectionnant des méthodes de préparation et des paramètres de traitement appropriés pour répondre aux besoins des patients. L'étude de l'activation de surface, de l'induction et du mécanisme du titane poreux peut améliorer la force de liaison entre l'implant et le tissu osseux, raccourcir la période d'intégration osseuse et soulager la douleur des patients ; la réduction du coût de fabrication du titane poreux est également un problème urgent.