Moins chers, plus résistants, moins toxiques : de nouveaux alliages prometteurs pour le développement de membres artificiels

Jul 21, 2023

25 novembre 2022

par Michael Oluwatosin Bodunrin, La conversation

Le titane est un métal solide, résistant et relativement léger. Ses propriétés ont également été bien étudiées ; les scientifiques en savent beaucoup sur ce sujet. Tout cela en fait la base idéale pour fabriquer des membres artificiels, en particulier des genoux et des hanches, et des dents. Il est moins susceptible de rouiller que d’autres métaux et, comme le montrent les recherches, il est plus compatible avec le corps humain que, par exemple, l’acier inoxydable et les matériaux à base de cobalt.

Mais il y a un problème majeur : le titane n’est pas bon marché. Il est difficile d’obtenir des données précises, mais le coût moyen prudent des prothèses à base de titane se situe entre 3 000 et 10 000 dollars. Cela coûte cher à la plupart des gens, et c'est prohibitif pour la majorité des habitants des pays à revenu intermédiaire ou faible, comme ceux d'Afrique.

Encore une fois, les données sont rares, mais une étude récente sur l'Afrique subsaharienne (à l'exclusion de l'Afrique du Sud, qui dispose de meilleures installations pour de telles procédures que la plupart des autres pays du continent) a révélé que 606 arthroplasties de la hanche et 763 arthroplasties du genou ont été réalisées entre 2009 et 2018. De plus en plus de personnes dans la région auront probablement besoin d'un remplacement, mais s'en passeront parce qu'elles ne peuvent tout simplement pas se permettre l'intervention. Et avec l’augmentation de la population mondiale de personnes âgées de 65 ans et plus, la demande d’implants est appelée à augmenter ; cette tranche d’âge est sujette à des maladies comme l’ostéoporose et l’arthrose.

C'est pourquoi nous travaillons à produire des matériaux à base de titane moins chers qui peuvent être utilisés pour fabriquer des membres abordables. Dans nos dernières recherches, mes collègues et moi avons expérimenté des éléments métalliques comme le titane, l'aluminium, le fer et le vanadium pour créer de nouveaux alliages. Nous avons testé chacun d'entre eux dans une solution qui imite les fluides corporels des humains.

Nous avons constaté que les nouveaux alliages présentaient une quantité négligeable de rouille dans la solution. Les nouveaux alliages, qui sont légèrement moins chers que l’alliage de qualité commerciale, ont eu d’aussi bons résultats – et un alliage les a même surpassés.

Le plus grand avantage du titane pour la fabrication de hanches, de genoux et de dents artificielles est qu'il peut être utilisé sans danger dans le corps humain, car il ne se dégrade pas facilement lorsqu'il est exposé aux fluides corporels.

Cependant, lorsque le titane est utilisé sous sa forme pure, il n’a pas la solidité et la résistance à l’usure nécessaires pour faire face aux rigueurs de l’activité humaine.

C'est pourquoi d'autres éléments métalliques sont ajoutés. Les exemples incluent l'aluminium, le vanadium, le zirconium, le tantale, le niobium, le molybdène et le fer. Les scientifiques utilisent ces éléments et d’autres pour créer de nouveaux alliages plus solides et résistants à l’usure.

Actuellement, l’alliage le plus utilisé dans les hanches et les genoux artificiels est le Ti-6Al-4V : 90 % de titane, 6 % d’aluminium et 4 % de vanadium. Bien qu’efficace, il présente deux inconvénients majeurs. Le premier est le coût. Le vanadium est presque aussi cher que le titane. La deuxième est la toxicité : l’aluminium et le vanadium sont toxiques en grande quantité. Lorsque le matériau se dégrade par corrosion, des ions sont libérés dans l’organisme et peuvent provoquer une inflammation chronique. Ces ions ont également été associés à la maladie d'Alzheimer.

Pour cette étude, nous avons réduit la quantité d'aluminium et de vanadium ajoutée au Ti-6Al-4V pour fabriquer de nouveaux matériaux à base de titane. Nous avons également exclu l’aluminium et remplacé entièrement le vanadium par du fer pour fabriquer un autre matériau à base de titane, moins cher.

Nous avons ensuite étudié si ces nouveaux matériaux d'implants se dégraderaient rapidement lorsqu'ils seraient immergés dans le fluide corporel humain. Nous avons utilisé une solution appelée Hanks Balanced Salt Solution qui contient les principaux ingrédients du fluide corporel humain. Nous avons comparé les nouveaux matériaux en titane avec le Ti-6Al-4V de qualité commerciale couramment utilisé.

Presque tous les nouveaux alliages ont obtenu de meilleurs résultats que le Ti-6Al-4V dans la solution saline. Ceux qui ont obtenu de moins bons résultats avec la solution étaient toujours à égalité avec le Ti-6Al-4V. Et aucun des nouveaux alliages ne s’est dégradé de plus de 0,13 millimètres par an, le taux de dégradation maximum autorisé pour le matériau des implants.