Projet ANR-12-EMMA-0003 – ELASTICITE : Elaboration d’Alliages Superélastiques de Titane pour la Construction d’Implants Tests
Programme : Emergence (Emergence)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Pierre MILLE (INSA de Strasbourg, LGeCO)
Partenaires : Laboratoire de Génie de la Conception; Institut de Recherche sur les Transports, l'Énergie et la Société; Laboratoire d'Étude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux; SATT CONECTUS ALSACE SATT CONECTUS ALSACE
Montant : 318864.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 24 mois
Résumé : ELASTICITEElaboration d’Alliages Superélastiques de Titane pourla Construction d’Implants Tests
Nouvelles conceptions et fabrications d'implants métalliques dentaires et articulairesLe marché mondial du dispositif médical implantable, plus particulièrement de la prothèse dentaire, maxillo-faciale, articulaire, et les matériels associés connaît une forte croissance annuelle. Elle est la conséquence d’une meilleure maîtrise de l’acte chirurgical. Parallèlement, dans ce contexte, le vieillissement de la population des pays européens accroît la demande et dope les marchés. La pose de certains implants articulaires progresse à un rythme voisin de 10 % l’an. Le projet se positionne sur ce marché de produits à forte valeur ajoutée en contribuant par les innovations apportées à une meilleurequalité de vie du patient. C’est la flexibilité du procédé d’élaborationqui autorise la conception et la fabrication d’implants en petites séries, mieux encore sur mesure, pour traiter par exemple des situations uniques rencontrées dans les pathologies traitées en chirurgie infantile.L'association d'un alliage aux propriétés superélastiques au procédé CLAD permet d'envisager la réduction de la déviation de contrainte de l'os dans l'implant.Les causes principales de descellement des implants articulaires et dentaires à l’origine de la révision peuvent se résumer ainsi :1) une ostéo intégration médiocre due aux caractéristiques des matériaux en surface de l’implant mais aussi de la qualité du matériel osseux, une zone d’ancrage peu active à l’interface;2) un « écart anatomique » entre la constitution du patient et la géométrie et la taille de l’implant retenu;3) des sollicitations mécaniques à l’interface os-implant dues principalement aux différences de comportement mécanique (élasticité) implant métallique/os.Le projet se propose donc d’explorer de nouvelles voies d’investigation permettant de repenser la conception et la fabrication des implants en tentant d’apporter des solutions aux points 2 et 3 ci-dessus.
Alliage et conception optimisés pour la fabrication additive d'implants articuliares innovantsLes innovations attendues résident dans:- la transformation de l'alliage retenu en poudre, premier verrou technologique;- la caractérisation complète de l'alliage après transformation en poudre puis refusion sous faisceau laser (procédé CLAD) pour vérifier son adéquation aux applications visées;- la proposition de nouvelles conceptions d’implants articulaires adaptées à l'anatomie du patient et aux exigences techniques des procédés de transformation.C'est l'atomisation sous gaz inerte (Ar) qui est retenue pour l'obtention de la poudre.Les caractérisations après transformations seront:- métallurgiques (DRX, métallographie, MEB);- mécaniques (traction, flexion pour limite d'élasticité et résistance ultimes, fatigue mécanique, nano-indentation pour la mesure des modules d'élasticité à l'interface à l'os, rayure à titre exploratoire);- biologiques (cultures cellulaires) pour vérifier la biocompatibilité après transformations.
Résumé de la soumission : Dans ce projet, le consortium souhaite développer des prothèses articulaires de nouvelle génération, sur la base de l’utilisation d’un nouvel alliage de titane, mis en forme par construction additive par faisceau laser (procédé CLAD ®) (voir description du procédé en annexe). L’association innovante de cet alliage de titane TiNb aux propriétés spécifiques et du procédé CLAD ® permettra de réduire considérablement les sources de descellement des prothèses.Les alliages de titane bêta métastable développés au LEM3 présentent un module d’élasticité beaucoup plus proche de celui de l’os que le titane et les alliages utilisés actuellement. Ces nouveaux alliages de titane biomimétiques sont élaborés à partir d’éléments (Nb, Zr, O, N, Si) considérés comme bio-inertes. Différentes stratégies d’optimisation de la microstructure basées sur des traitements thermomécaniques ont permis d’obtenir un très bas module d’élasticité (20-40 GPa) ainsi qu’une résistance élevée. Le procédé CLAD ® autorise des formes que des procédés conventionnels (forgeage, moulage) ne permettent pas ; sa flexibilité permet la fabrication de formes biomimétiques applicables sur des pièces unitaires proches des paramètres morphologiques des patients.Le verrou technologique majeur réside dans le comportement métallurgique de l’alliage TiNb considéré. En effet, compte tenu des étapes de transformation de cet alliage (lingot préallié, atomisation, élaboration de structure avec le procédé CLAD), il est essentiel de valider que le matériau conserve ses propriétés particulières. Les volumes et les surfaces des pièces réalisées seront donc exhaustivement caractérisées (propriétés métallurgiques, mécaniques, électrochimiques et biologiques) car il n’existe actuellement aucune donnée disponible dans la littérature. Le second verrou concerne l’aspect multi matériaux développé dans le cadre de ce projet. L’autre solution mise en œuvre est de partir d’une pièce de dimensions légèrement inférieures aux standards, obtenue par des moyens conventionnels tout particulièrement dans la partie métaphysaire d’un implant articulaire, et de ne rajouter que les formes permettant d’adapter la prothèse à la morphologie du patient en comblant le volume du canal médullaire, et en limitant l’utilisation de l’alliage TiNb uniquement aux parties en contact avec l’os. Même si ces matériaux apparaissent compatibles en première analyse, il est nécessaire de passer par des phases d’essais et de caractérisations métallurgiques, afin de comprendre, maîtriser et optimiser les mécanismes de formation et les propriétés des couches intermédiaires entre la base et les formes rajoutées.Ce programme a pour objectif de proposer un nouveau concept d'élaboration de prothèse personnalisée générant une rupture dans le schéma  industriel actuel dans le but de favoriser une augmentation de la durée de vie de l'implant et une meilleure qualité de vie du patient grâce à une ostéo-intégration optimisée: aspect gradient de propriétés, propriétés biomimétiques, fonctionnalisation localisée.
Résultats : A la date du 01 octobre 2013, la fabrication de l'alliage avec les 
caractéristiques attendues  a été réalisée et permet d'entreprendre sa transformation en poudre compatible avec le procédé de fabrication additive CLAD.
Parallèlement, la modélisation  numérique 3D du transfert de charge de l'implant à l'os doit être affinée pour proposer en juin 2014, la fabrication d'un démonstrateur utilisant les propriétés attendues de l'alliage dans une géométrie optimisée sur le plan anatomique.
Perspectives : Dans le cas où la transformation en poudre constituerait un point de 
blocage, d'autres pistes de recherche sont à l'étude de façon à garantir
 la possibilité de réaliser un démonstrateur en fin de projet. 
L'élaboration de l'alliage sous le faisceau laser à partir d'un dosage 
précis du mélange de poudres, comme évoqué dans le dossier scientifique initial, constitue une ouverture possible.
Avec l'aide et l'accord des chirurgiens associés au consortium, le démonstrateur prendra selon toute vraisemblance la forme d'une tige fémorale de prothèse totale de hanche.
Publications et brevets : A la date du 01 octobre 2013, le consortium ne dispose pas d'assez de recul pour proposer des publications scientifiques.