Brevet FR2466241A1 — publié le 19810410

2466241, MATIERE COMPOSITE POUR PROTHESES. La présente invention se rapporte à une matière composite, se composant d'une couche supérieure poreuse de fils métalliques sur un substrat métalli- que, et elle se rapporte également à un procédé de fabrication de ladite ma- tière. Cette matière composite peut être utilisée efficacement pour des im- plants médicaux: la couche poreuse entre en contact direct avec le tissu osseux environnant et elle permet au tissu osseux de pénétrer dans la couche supérieure poreuse afin d'assurer un ancrage solide de la prothèse. Comme cela est bien connu, on utilise des prothèses pour remplacer, en totalité ou en partie, des joints ou segments osseux dans le squelette d'êtres humains et d'animaux. Dans;la plupart des cas, ces prothèses sont destinées à une implantation dans la partie restante du squelette. Cela peut poser différents problèmes, notamment ceux se rapportant à une usure excessive et à une courte durée de service correspondante, ainsi que ceux se rapportant à une fixation durable sur les parties osseuses dures subsistantes. A l'heure actuelle, on utilise différents procédés pour assurer cette fixation durable, par exemple, un procédé d'impact dynamique consistant à enfoncer une tige de prothèse dans l'espace médullairede l'os, des procédés de fixation à l'aide de vis, ainsi que des procédés permettant une polyméri- sation d'un ciment osseux in situ. Le dernier procédé est en particulier utilisé fréquemment en faisant inter- venir comme ciment osseux du méthacrylate de méthyle. Le problème qui se pose avec ce procédé et les autres consiste cependant en ce qu'une rupture de la zone de fixation est souvent accompagnée par une destruction ou une résorp- tion du tissu osseux environnant. Récemment, on a proposé d'autres procédés pour établir une fixation durable, ces procédés faisant intervenir l'aptitude de liaison et d'adhérence du tissu osseux environnant. Comme exemples desdits procédés, on peut citer: l'utilisation d'encoches, de zones nervurées ou rugueuses prévues sur la surface de la prothèse afin de permettre une bonne pénétration du tissu osseux entre elles; l'utilisation de matières biologiquement actives qui 2466241. peuvent réagir avec le tissu osseux, en formant ainsi une liaison solide; et l'utilisation de couches poreuses ou d'éléments poreux dans lesquels le tissu osseux peut pénétrer et avec lesquels il peut croître à l'unisson en vue d'établir un ancrage stable. L'invention se rapporte plus particulièrement au procédé mentionné en dernier. Pour des prothèses comportant une couche ou élément poreux, on a déjà proposé différentes formes. On a constaté que l'utilisation d'une couche supérieure poreuse sur un substrat est préférable à un objet qui est entié- rement poreux, du fait des impératifs mécaniques à observer, tels que la résistance à la traction et la résistance à la fatigue que doit posséder une prothèse. En outre, il est à noter que, pour former la matière de la couche poreuse d'une prothèse fortement sollicitée, des métaux donnent plus satisfaction que dès matières céramiques ou des polymères, à cause de leurs meilleures propriétés mécaniques, comme la résistance à la traction et la ductilité. Egalement, une couche supérieure poreuse de fils métalliques donne plus satisfaction qu'une couche supérieure poreuse de poudre métallique du fait qu'on peut obtenir avec des fils métalliques une structure à pores ou- verts qui présentent une plus grande dimension moyenne de pores ainsi qu'une résistance et une ductilité bien meilleures pour la même porosité. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 906 550, on a décrit une prothèse du type implant, qui se compose d'une tige métallique servant d'élé- ment d'absorption-de charge et qui est entourée par une couche poreuse formée de minces fils métalliques frittés ensemble. La couche poreuse a une structure à pores ouverts et elle est destinée à permettre la croissance du tissu osseux dans les pores, de la manière décrite cidessus, en vue d'assurer l'ancrage nécessaire. Dans cette prothèse connue, la couche poreuse est réalisée par pliage de très minces fils d'acier inoxydable ou d'un métal semblable, par tronçonnage des fils en morceaux, par estampage des morceaux dans une matrice afin d'obtenir un réseau tridimensionnel des fibres verrouillées mécanique- ment, puis par frittage dudit réseau afin de créer des liaisons métalliques entre les fibres en leurs points de contact. La couche poreuse ainsi obtenue peut être fixée sur la tige métallique de la prothèse par frittage ou par un autre procédé. Une conséquence du procédé de fabrication utilisé consiste en ce que les fils métalliques de la couche poreuse de la prothèse connue sont orientés de façon assez aléatoire. Il en résulte une structure à pores ouverts, mais la forme et les dimensions des pores, ainsi que le degré de porosité peuvent 2466241 1 varier assez considérablement d'un point à un autre. Egalement, les pores ne doivent pas avoir des dimensions excessives car il en résulterait une réduc- tion trop forte de la résistance mécanique de la matière. En outre, la couche poreuse a une surface spécifique relativement grande par rapport au volume de la prothèse, ce qui se traduit par une augmentation considérable de la libé- ration d'ions métalliques in vivo. Enfin, la fixation de la couche poreuse sur la tige métallique, qui doit être préparée dans une phase séparée de fabrication, pose un problème d'importance. L'invention a en conséquence pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus et de fournir une matière composite, comportant un revêtement poreux et un substrat métallique et qui satisfasse à des condi- tions sévères tout en convenant pour être utilisée comme prothèses du type défini ci-dessus. En outre, l'invention concerne un procédé de fabrication de ladite matière composite, qui soit plus simple que les procédés connus et qui convienne pour une production à grande échelle. L'invention concerne une matière composite se composant d'une couche poreuse de fils métalliques,placée sur un substrat métallique, ladite ma- tière étant caractérisée en ce que la couche poreuse est formée d'au moins une couche d'un treillis en fils métalliques dans lequel les fils sont joints par des liaisons métalliques les uns avec les autres ainsi qu'avec le sub- strat aux points de contact. En outre, l'invention concerne un procédé de fabrication de ladite matière composite, procédé caractérisé en ce qu'on dépose au moins une couche d'un treillis en fils métalliques sur un substrat métallique, et en ce qu'on assure la liaison métallique des fils du treillis les uns avec les autres et également avec le substrat aux points de contact. Les problèmes définis ci-dessus peuvent être résolus de cette manière. Du fait qu'on utilise un treillis en fils métalliques, on peut obtenir une dimension de pores uniforme et aisément réglable, ainsi qu'une porosité uniforme. En outre, il devient possible d'obtenir toutes dimensions de pores et toute porosité désirées et, en particulier, de réaliser des pores de grandes dimensions sans altération de la résistance mécanique ou de l'intégrité de la couche poreuse. En outre, on est assuré d'obtenir un plus petit rapport entre la surface spécifique et le volume de la matière à implanter, ce qui diminue le degré de libération d'ions métalliques in vivo. Egalement, un autre avantage du procédé de fabrication selon l'invention consiste en ce que la préparation de la couche poreuse, la fixation des fils métalliques les uns avec les autres, et la liaison des fils métalliques 2466241 1 avec le substrat peuventmaintenantêtre réalisés pratiquement en une seule opération, ce qui apporte une simplification considérable, et ce qui permet une production à grande échelle. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et de la figure jointe, données à titre illustratif mais non-limitatif. La Figure unique représente-en vue en plan et en coupe partielle une matière composite agencée conformément à la présente invention. La matière composite selon l'invention se compose d'un substrat métal- lique 1 comportant une couche d'une structure maillée ou treillis en fils métalliques 2. Le treillis 2 est constitué par un tissu métallique à tissage plan, comportant des fils de chaîne 3 et des fils de trame 4. On voit nettement que les fils 3 et 4 sont reliés ensemble et, également au substrat 1, par des liaisons métalliques établies en leurs points de contact- de manière à établir un assemblage solide. Entre les différents fils 3 et 4, il subsiste des pores 5 qui ont des formes et dimensions uniformes du fait du type de tissage adopté. Bien qu'on ait représenté sur le dessin une seule couche de treillis métallique, ii est clair qu'on peut également pré- voir tout nombre approprié de couches de treillis métallique dont les fils sont joints les uns avec les autres ainsi qu'avec des fils de la coupe précédente par des liaisons métalliques. Entre le fil 3, le fil 4 etlesubstrat 1 sont formées des pores de forme générale triangulaire 6. Les pores 5 ont par contre une forme générale quadrangulaire (rectangles,carrés, losanges) . Le substrat 1 peut être formé de tout métal compatible avec un tissu vivant, comme par exemple de l'acier inoxydable, du ti'tane, des alliages de titane, des alliages Co-Cr, du tantale, des alliages de tantale, du nio- bium, des alliages de niobium, ou du zirconium. On préfère les métaux à d'autres matériaux, tels que des matières céramiques ou des polymères, puisque le substrat, lorsqu'il est utilisé dans des pro- thèses constitue normalement l'élément d'absorption de charge; il doit par conséquent posséder une bonne résistance mécanique et une bonne ductilité. Le substrat peut avoir tout profil approprié, par exemple la forme d'une plaque plane, d'une tige circulaire, ou semblable. Il n'est pas absolument nécessaire que le substrat ait déjà la forme désirée pour la prothèse, du fait qu'on peut lui donner cette forme ultérieurement. Les fils du treillis métallique 2 peuvent également être constitués de tout métal biocompatible, c'est-à-dire un métal qui soit correctement accepté in vivo. En principe, on peut utiliser les mémes métaux que ceux du substrat. 2466241t Bien que la couche poreuse de treillis métallique ne soit pas destinée à ser- vir directement d'élément porteur de charge, elle doit néanmoins établir une liaison résistante avec le tissu osseux. Il en résulte que la liaison interne établie par la matière composite doit être plus robuste que la liaison établie entre la couche poreuse et les tissus. Il est par conséquent préférable d'utiliser des métaux par comparaison à d'autres matières. Le treillis en fils 2 constitue une couche poreuse ayant des propriétés mécaniques presque uniformes et comportant des pores 5 de dimensions uniformes. Ce treillis peut être, soit tissé, soit tricoté, bien qu'il soit préférable d'utiliser un treillis tissé. Il est également important que les fils du treillis se croisent mutuellement en de nombreux points, afin de créer des pores 6 qui ont une influence importante en ce qui concerne la pénétration du tissu osseux et, par conséquent, l'assemblage solide de la surface poreuse avec l'os. Le diamètre des fils, ainsi que leur nombre par unité de longueur dans le treillis, peuvent varier dans de larges limites, en fonction de la dimen- sion des pores et de la porosité nécessaires. On peut utiliser des fils métal- liques d'un diamètre compris entre 0,025et 1,25 mm, tandis que le nombre de fils par unité de longueur de 2,5 cm peut varier, dans toute direction désirée, entre 400 et 6. En considération desdites limites, on doit veiller à ce que la largeur du treillis ou la dimension.des pores dans le treillis soit tou- jours supérieure à la dimension minimale désirée pour obtenir une bonne pé- nétration de la partie du tissu convenable dans les pores. Il n'est pas nécessaire que le treillis en fils ait à ce stade la forme et les dimensions désirées pour la prothèse, mais on doit adapter ladite forme et lesdites dimensions dans une certaine mesure à celles du substrat utilisé. On peut faire un choix entre l'utilisation d'une seule ou de plusieurs couches de treillis métalliques en fonction de l'épaisseur désirée de la couche poreuse sur le substrat. Dans le cas o on utilise plusieurs couches, elles sont dans la plupart des cas fixées l'une avec l'autre d'une manière quinconcée en vue d'obtenir une meilleure liaison des différentes couches les unes avec les autres. Cependant, la possibilité de placer directement les unes sur les autres un certain nombre de couches ayant une largeur égale de treillis n'est pas exclue. Lors de la fabrication de la matière composite selon l'invention, une ou plusieurs couches de treillis métallique sont mises en place sur le substrat métallique, puis les fils du treillis sont liés métallurgiquement l'un avec l'autre et avec le substrat. 6 224662417 La liaison métallurgique est de préférence établie par frittage ou, mieux encore, par frittage sous pression. Bien qu'on puisse également obtenir une liaison semblable par soudage par points, ce procédé n'est pas préféré du fait qu'il devient pratiquement impossible, en particulier pour un substrat de surface incurvée,de souder simultanément un grand nombre de fils métalliques en leurs points de contact l'un avec l'autre et avec un substrat. Par un frittage et, en particulier, un frittage sous pression, on établit une bonne liaison entre les différents fils métalliques ainsi qu'entre les fils et le substrat. En conséquence, ce procédé est de loin le plus intéressant. Dans le brevet français No. 2 215 927, on utilise une feuille perforée qui est fixée sur le substrat par soudage par points. Cela est différent du système selon l'invention o l'utilisation d'un treillis en fils et d'un frittage sous pression constitue les éléments essentiels. Un premier avantage du frittage sous pression, par comparaison au frittage normal, consiste en ce que les fils du treillis métallique sont appliqués sous pression contre le substrat pendant le processus de frittage, de sorte qu'on établit un bon contact pour assurer la formation d'un treillis fritté. En outre, le frittage sous pression procure l'avantage d'une diminution de la température de frittage. Les métaux utilisables de préférence pour constituer le treillis en fils et le substrat sont normalement frittés à des températures supérieures à 11000C. Lorsqu'on utilise de telles températures élevées, les propriétés mécaniques du substrat (résistance à la traction, ductilité, résistance à la fatigue) sont cependant fortement réduites, ce qui crée une difficulté. Cependant, en opé- rant le frittage sous pression, on peut diminuer les températures de frittage d'environ 200 à 5000C, ce qui élimine ou tout au moins atténue considérablement la difficulté précitée. Il est à noter que l'utilisation du frittage sous pression pour obtenir une couche ayant une structure poreuse, conformément à la présente invention, établit une nette différence avec l'art antérieur. On utilisé normalement un frittage sous pression pour obtenir des objets frittés compacts ayant la plus forte densité possible. Souvent, on atteint même la densité théorique de la matière. Egalement, l'application du frittage sous pression à une masse de fils métalliques orientés au hasard provoque une augmentation non négligeable de la densité de la matière. Cependant, conformément à la présente invention, et du fait de l'utilisation d'un treillis métallique, on peut appliquer un processus de frittage sous pression qui ne provoque pas une telle augmentation de densité (et une perte de porosité). 2466241t Le procédé de frittage sous pression peut être mis en pratique avec un équipement disponible dans le commerce et qui permet d'obtenir la pression nécessaire ainsi que la température et l'atmosphère requises. La température, la pression appliquée ainsi que la durée de l'opération de frittage dépendent fortement du type de métal utilisé. En outre, ces fac- teurs sont mutuellement interdépendants, puisqu'une augmentation de la pres- sion ou de la durée de frittage se traduit automatiquement par une diminution de la température de frittage requise. En général, on peut dire que le frit- tage sous pression donne de bons résultats à des températures de 600 à 10000C, à des pressions de 1 à 150 MPa et avec une durée d'opération comprise entre mn et 8 heures. Cependant, dans ces limites générales, on peut définir des spécifications plus précises en relation avec le type de métal utilisé. Par exemple, il est possible de fritter sous pression de l'acier inoxydable à une température comprise entre 850 et 950'C, alors que pour le titane, la température est comprise entre 650 et 700C, et pour des alliages de titane, entre 850 et 9500C. Il est facile de déterminer expérimentalement la pression et la durée de frittage correspondant à ces températures. L'effet du frittage sous pression peut également être amélioré lorsque le treillis métallique est appliqué sous pression contre le substrat dans une phase opératoire séparée précédant la phase de frittage. Au début du frittage, il existe déjà une surface de contact au lieu d'un simple contact ponctuel ou linéaire, et cela peut être très avantageux pour créer une bonne liaison mé- tallique. Pour cette phase de pré-compactage, on peut faire intervenir des pression de 10 à 600 MPa, en fonction du métal constituant le treillis et le substrat, ainsi que des propriétés mécaniques et des caractéristiques de tis- sage du treillis. On n'apporte aucune modification au processus de traitement si on utilise plus d'une couche de treillis métallique. Les différentes couches sont placées l'une sur l'autre et sur le substrat dans la position désirée. Ensuite, on soumet l'ensemble à un frittage sous pression, après lui avoir fait subir éventuellement un pré-compactage. Bien que les phénomènes qui se déroulent ensuite soient plus compliqués - puisque des liaisons métalliques doivent maintenant être établies entre les fils de chaque couche qui se croisent, entre les fils de deux couches consécutives qui se croisent et, également, entre les fils de la couche complètement inférieure et le substrat - il est encore possible que toutes ces liaisons soient établies simultanément en une seule opération de frittage. 8 2466241' Du fait de la simplicité du procédé, il devient possible de fabriquer économiquement le produit, et même d'envisager une production en série. Le produit conforme à l'invention, et fabriqué par le procédé décrit cidessus, est une matière composite se composant d'un substrat métallique dense qui porte un revêtement poreux constitué d'un treillis métallique fritté. Du fait de l'utilisation de températures de frittage relativement basses, le substrat possède les caractéristiques mécaniques optimales. Grâce au frittage sous pression, on crée une bonne liaison en une seule opération entre le treillis métallique et le substrat et, également, entre tous les fils du treillis qui se croisent les uns avec les autres. La couche poreuse comporte des pores de dimension uniforme, qui sont répartis uniformément dans la couche. On peut obtenir toute dimension désirée de pores et, en particulier également, une dimension de pores relativement grande. Le matériau composite conforme à l'invention convient notamment pour être utilisé dans des prothèses d'implantation, puisque la couche poreuse placée dans le substrat, constitue un excellent agent permettant la péné- tration du tissu osseux et l'établissement d'une liaison durable de la pro- thèse sur l'os. La matière peut être utilisée dans de nombreuses prothèses orthopédiques, telles que des prothèses de la hanche, du genou et d'autres articulations. Il est possible d'incorporer les parties métalliques de ces prothèses au substrat métallique portant le revêtement poreux. La matière composite peut également être utilisée dans des prothèses dentaires, c'est-à-dire des prothèses destinées à chevaucher des défauts existant dans les mâchoires. Dans toutes ces applications, on peut obtenir d'excellents résultats en ce qui concerne la pénétration du tissu osseux dans la couche poreuse ainsi qu'une fixation durable de la prothèse sur le squelette. On va décrire dans la suite deux exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, donnés à titre non-limitatif. EXEMPLE 1 Sur un substrat métallique plan, formé d'acier inoxydable, par exemple du type AISI 316 L, on a placé une couche d'un treillis en fils métalliques se composant du même matériau. On a utilisé un treillis en fils métalliques, tissé à plat et comportant vingt fils d'un diamètre de 0,375 mm par unité de longueur de 2,54 cm dans chaque direction. A la température ambiante, on a appliqué le treillis métallique contre le substrat avec une pression de pré-compactage de 150 MPa. 2466241 4 Ensuite, on a fixé les fils les uns avec les autres et avec le substrat par frittage sous pression en utilisant une presse de frittage de type normal. On a maintenu pendantl heure une température de frittage de 875 C et une pressioj de 10 MPa. On a obtenu une matière composite se composant d'une couche supérieure poreuse de treillis métallique,placée sur un substrat métallique, ladite couche supérieure adhérant bien sur le substrat et pré- sentant également une porosité et des dimensions de pores uniformes. EXEMPLE 2 On a répété le processus de l'Exemple 1, à la différence quele frittage a duré maintenant deux heures et a été effectué à une température de 900'C et à une pression de 10 MPa. On a obtenu une matière composite présentant des caractéristiques semblables à celles de l'Exemple 1. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux exemples et modes de mise en oeuvre mentionnés ci-dessus; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 2466241:- REVENDICATIONS 1.- Matière composite, se composant d'une couche poreuse de fils métal- liques, placée sur un substrat métallique, caractérisée en ce que la couche poreuse se compose d'au moins une couche de treillis en fils métalliques dans laquelle. les fils sont fixés les uns avec les autres et avec le substrat par des liaisons métalliques établies aux points de contact. 2.- Matière composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fils métalliques du treillis sont constitués d'acier inoxydable, de titane, d'alliages de titane, d'alliages de cobalt, de tantale, d'alliages de tantale, de niobium, d'alliages de niobium, ou de zirconium. 3.- Matière composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que le treillis en fils a une structure tissée. 4.- Matière composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que le treillis en fils métalliques comporte de 400 à 6 fils, d'un diamètre compris entre 0,025 et 1,25 mm, par unité de longueur-de 2,54 cm dans chaque direction. 5.- Matière composite selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est prévu plus d'une couche de treillis en fils métalliques sur le substrat. 6.- Procédé de fabrication d'une matière composite se composant d'une couche poreuse de fils métalliques placée sur un substrat métallique, carac- térisé en ce qu'on met en place au moins une couche d'un treillis de fils métalliques sur un substrat métallique, et en ce qu'on fixe par une liaison métallique les fils du treillis les uns avec les autres et avec leur substrat en leurs points de contact. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce queles fils du -treillis métallique sont constitués d'acier inoxydable, de titane, d'alliages de titane, d'alliages de cobalt, de tantale, d'alliages de tantale, de niobium, d'alliages de niobium ou de zirconium. 8.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le treillis en fils a une structure tissée. 9.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le treillis en fils métalliques comporte de 400 à 6 fils, d'un diamètre compris entre 0,025 et 1,25 mm, par unité de longueur de 2,54 cm dans chaque direction. 10.- -Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'unie du treillis en fils métalliques est placée sur le substrat et e celui-ci. 11. - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la liaison métallique est établie par frittage sous pression. 12.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce quela tempé- rature de frittage est comprise entre 600 et 1000 C, la pression de frittage est comprise entre 1 et 150 MPa et la durée de frittage est comprise entre minutes et 8 heures. 13.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on effectue un pré-compactage avant le frittage sous pression. 14.- Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le pré- compactage est effectué sous une pression de 10 a 600 MPa. 15.- Prothèse, réalisée à partir de la matière composite selon l'une quelconque des revendications i à 14. il