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

Le titane est un métal solide, résistant et relativement léger. Ses propriétés ont également été bien étudiées ; les scientifiques en savent beaucoup. Tout cela en fait la base idéale pour façonner des membres artificiels – en particulier des genoux et des hanches – et des dents. Il est moins susceptible que les autres métaux de rouiller et, comme l’ ont montré les recherches , il est plus compatible avec le corps humain que, par exemple, les aciers inoxydables 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 conservateur des prothèses à base de titane se situe entre 3 000 et 10 000 dollars américains. C’est cher pour la plupart des gens, et de manière prohibitive pour la majorité des habitants des pays à revenu intermédiaire et 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 du genou ont été réalisées entre 2009 et 2018. Beaucoup plus de personnes dans la région ont probablement besoin de remplacements, mais s’en passeront parce qu’elles ne peuvent tout simplement pas se permettre la procédure. Et, avec l’augmentation de la population mondiale des personnes âgées de 65 ans et plus , la demande d’implants devrait augmenter ; ce groupe d’âge est sujet à des maladies comme l’ostéoporose et l’arthrose.

C’est pourquoi nous nous efforçons de 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 dans une solution qui imite les fluides corporels humains.

Nous avons constaté que les nouveaux alliages présentaient une rouille négligeable dans la solution. Les nouveaux alliages, qui sont légèrement moins chers que l’alliage de qualité commerciale, se sont aussi bien comportés qu’eux – et un alliage l’a même surpassé.

Titane pur vs alliages de titane

Le plus grand avantage du titane pour la fabrication de hanches, de genoux et de dents artificielles est qu’il est sans danger pour le corps humain car il ne se dégrade pas facilement lorsqu’il est exposé à des fluides corporels.

Cependant, lorsque le titane est utilisé sous sa forme pure, il lui manque 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’il soit efficace, il présente deux inconvénients majeurs. Le premier est le coût. Le vanadium est presque aussi cher que le titane. Le second 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 le corps et peuvent provoquer une inflammation chronique. Ces ions ont également été liés à la maladie d’Alzheimer .

Pour cette étude, nous avons réduit la quantité d’aluminium et de vanadium qui sont ajoutés 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.

Ensuite, nous avons cherché à savoir si ces nouveaux matériaux d’implant se dégradaient rapidement lorsqu’ils étaient immergés dans le liquide corporel humain. Nous avons utilisé une solution appelée Hanks Balanced Salt Solution qui contient les principaux ingrédients du liquide corporel humain. Nous avons comparé les nouveaux matériaux en titane avec le Ti-6Al-4V de qualité commerciale couramment utilisé.

Les résultats

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

Les alliages sans vanadium ni aluminium se sont bien comportés, ce qui signifie qu’ils sont potentiellement plus sûrs que le Ti-6Al-4V car ils ont des niveaux de toxicité plus faibles.

Et, surtout, les nouveaux alliages sont moins chers à produire que le Ti-6Al-4V. Nous ne travaillons pas sur la fabrication proprement dite des membres artificiels – cette recherche se concentre sur la composition chimique des alliages. Nous ne pouvons donc pas dire quelle serait l’économie ultime si ces alliages étaient utilisés. Mais, simplement en modifiant les matières premières comme nous l’avons fait, en remplaçant entièrement ou partiellement l’aluminium et le vanadium par du fer, jusqu’à 10 % d’économies peuvent être réalisées.

Une étape prometteuse

À partir de 2030 et au-delà, davantage de personnes âgées résideront dans des pays en développement tels que ceux du continent africain. À mesure que cette population augmente, la demande de membres artificiels peut également augmenter. C’est pourquoi il est si important d’identifier des matériaux abordables et sûrs. Notre recherche est une étape prometteuse vers l’atteinte de cet objectif.

Michael Oluwatosin Bodunrin

Maître de conférences, Université du Witwatersrand

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