Que sont les alliages de titane à usage biomédical et à quoi servent-ils ?

Les alliages de titane biomédicaux sont utilisés dans les implants et les dispositifs médicaux car ils allient biocompatibilité, résistance à la corrosion, résistance mécanique utile et densité relativement faible. Le titane commercialement pur et le Ti-6Al-4V sont des matériaux bien établis, tandis que les alliages β à module de Young plus faible font actuellement l’objet d’études visant à réduire le décalage de rigidité par rapport à l’os. Leurs utilisations et les choix de matériaux sont comparés ci-dessous.

Qu'est-ce qu'un alliage de titane à usage biomédical ?

Les matériaux biomédicaux interagissent avec les systèmes biologiques afin de diagnostiquer, traiter, réparer ou remplacer des tissus et des organes, ou encore d'améliorer leur fonctionnement. Ils comprennent notamment les métaux médicaux, les polymères et les céramiques. Les métaux revêtent une importance particulière dans les dispositifs orthopédiques et cardiovasculaires. Le titane présente une réponse biologique favorable, une bonne compatibilité avec les tissus et l'absence de comportement magnétique intrinsèque, ce qui justifie son utilisation médicale à grande échelle.

Les alliages de titane biomédicaux allient biocompatibilité, performances mécaniques, résistance à la corrosion et faible densité. Leur haute résistance et leur module d’élasticité relativement faible permettent de réduire l’effet de bouclier de contrainte et de favoriser la consolidation osseuse. Le titane est bio-inerte et résistant à la corrosion dans les milieux physiologiques. Sa densité est d’environ 56% celle de l’acier inoxydable, ce qui réduit le poids des implants. Les développements sont passés du titane commercialement pur et du Ti-6Al-4V à des alliages modifiés et à des alliages de titane β à faible module.

Classification et propriétés mécaniques

Les alliages de titane à usage biomédical sont classés, en fonction de leur microstructure, en alliages α, α+β ou β. Le titane commercialement pur et le Ti-6Al-4V restent largement utilisés en milieu clinique. Les alliages β à faible module de Young et présentant une biocompatibilité améliorée constituent un axe de recherche majeur.

Les alliages de deuxième et troisième générations présentent généralement un module d’élasticité plus faible et contiennent des quantités croissantes de niobium. Le Ti-35Nb-7Zr-5Ta et les systèmes Ti-Nb-Ta-Zr apparentés comptent parmi les matériaux présentant le module d’élasticité le plus faible répertoriés ici. Le module d'élasticité indiqué est de 55 GPa pour le Ti-35Nb-7Zr-5Ta, contre environ 30 GPa pour l'os. Les alliages β superélastiques à base de Ti-Nb ont fait l'objet d'études particulièrement approfondies.

Parmi les nouveaux alliages β, on trouve les systèmes Ti-Nb, Ti-Mo, Ti-Zr et Ti-Ta. Les éléments potentiellement nocifs tels que le V, l’Al, le Ni et le Cr sont de plus en plus remplacés par des éléments biocompatibles comme le Nb, le Zr, le Ta, le Sn, le Pt et le Mo. Les alliages Ti-Nb présentent un faible module d’élasticité, ne contiennent ni aluminium ni vanadium, et font l’objet de nombreuses études en tant que métaux à usage médical.

Performances biomédicales

Résistance spécifique élevée

Les alliages de titane ont une densité proche de 4,51 g/cm³, soit environ 60% fois celle de l'acier. Le titane pur présente une résistance proche de celle de l'acier ordinaire, tandis que les alliages de titane à haute résistance surpassent de nombreux aciers de construction. Leur rapport résistance/densité élevé permet de fabriquer des composants solides, rigides et légers. Les alliages α médicaux classiques peuvent entraîner un phénomène de « stress shielding » en raison de leur module d'élasticité plus élevé. L'alliage, la déformation plastique et le traitement de mise en solution peuvent modifier la structure cristalline et réduire le module de l'implant.

Résistance à la corrosion

Les alliages de titane offrent de meilleures performances que l'acier inoxydable dans l'air humide et l'eau de mer, et résistent à la corrosion par piqûres, aux attaques acides et à la corrosion sous contrainte. Ils résistent également aux alcalis, aux chlorures, aux composés organiques chlorés, à l'acide nitrique et à l'acide sulfurique, bien que leurs performances soient moins bonnes dans certains milieux réducteurs ou contenant des chromates.

1. Le Ti-39Nb présente, dans une solution saline physiologique, un comportement de dégradation par corrosion comparable à celui du titane pur et offre des performances nettement supérieures dans les environnements contenant du fluorure.
2. Le Ti-10Nb-10Zr présente de bonnes performances dans une solution de NaCl à 3,51 TP33T et dans la salive artificielle, avec un taux de dégradation particulièrement faible dans cette dernière.
3. Les alliages Ti-26Nb-4Zr-3Mn et Ti-26Nb-4Zr-5Mn présentent des potentiels de corrosion élevés et de faibles densités de courant dans la solution de Hank, ce qui témoigne d'une bonne résistance à la corrosion.