Nouveaux alliages : des alliés pour les dispositifs médicaux

Derrière le geste anodin de la dévitalisation¹ d’une dent se cachent des années de recherches et de développement. Et pour cause : les dents ont une forme complexe, légèrement courbée. Lors de la dévitalisation, le chirurgien-dentiste doit utiliser un instrument qui respecte la courbure de la dent à soigner pour en extraire son paquet vasculo-nerveux. « Le matériau qui constitue cet instrument doit présenter un maximum de rigidité pour enlever de la matière tout en offrant un maximum de flexibilité pour pénétrer la dent sans déformer sa racine. C’est un réel défi technologique », explique Shabnam Arbab Chirani, chercheuse en sciences de la mécanique des matériaux à l’Institut de recherche Dupuy-de-Lôme à Brest.

Les alliages de nickel-titane

Utilisés dès les années 90, les alliages de nickel-titane se sont avérés idéaux pour confectionner les instruments endodontiques². Ces matériaux sont dits à mémoire de forme : ils présentent des propriétés mécaniques intéressantes selon les variations de force et de température. « Cela minimise les risques de rupture des outils durant les soins dentaires », souligne la chercheuse. Les alliages de nickel-titane se révèlent biocompatibles : une fois implantés, ils n’interfèrent pas avec les fonctions biologiques du corps humain. Depuis 2015, divers états de nickel-titane ont été imaginés pour améliorer les dispositifs médicaux actuels. Et d’autres recherches sont axées sur la création de nouveaux alliages à mémoire de forme, car ceux déjà existants présentent quelques inconvénients. « En effet, leur biocompatibilité n’est pas parfaite car le nickel est un métal susceptible de provoquer des allergies chez certains, précise Thierry Gloriant, chercheur en sciences des matériaux à l’Institut des sciences chimiques de Rennes. De plus, les implants dentaires et les prothèses contiennent du vanadium et de l’aluminium qui peuvent présenter une toxicité. »

Prothèse de hanche

Au sein de son laboratoire, Thierry Gloriant essaye de concevoir des nouvelles variétés d’alliage dont les propriétés sont super-élastiques et à mémoire de forme. Le chercheur travaille notamment sur la conception d’une prothèse de hanche plutôt souple avec une rigidité proche de celle des tissus osseux. « Car si vous insérez un matériau trop rigide dans l’os, il finit par se déloger », explique-t-il. Pour cela, Thierry Gloriant modifie les microstructures d’alliages ayant déjà une rigidité moindre. « Ces alliages se modifient sous l’effet d’une contrainte mécanique, c’est ce qu’on appelle une transformation martensitique. Elle est à l’origine de la mémoire de forme de l’alliage et de sa super-élasticité », détaille le chercheur rennais. Grâce à ce travail, le scientifique a pu obtenir un alliage avec un module d’élasticité³ de 50 gigapascals⁴ (GPa), soit seulement 20 GPa au-dessus de celui de l’os. Alors que celui des alliages en titane actuellement utilisés pour les prothèses de hanches est à peu près de 110 GPa.

Normaliser la procédure

« Nous sommes loin d’avoir tout compris sur ces matériaux », fait remarquer Thierry Gloriant. Pourtant, il est crucial que la recherche avance régulièrement dans ce domaine afin d’améliorer les dispositifs et soins de santé. D’autant plus qu’avec la crise sanitaire, les investisseurs du biomédical se sont plutôt intéressés ces deux dernières années aux vaccins, aux médicaments, aux masques ou aux respirateurs. Et puis, dans le médical le temps est long : il peut s’écouler 5 à 10 ans entre la conception d’un produit et sa mise sur le marché. « Par exemple, pour qualifier un nouveau matériau, il faut élaborer l’alliage, normaliser toute la procédure liée à sa fabrication et le tester mécaniquement. Il faut ensuite le tester biologiquement in vitro avec des cellules humaines et in vivo, d’abord sur l’animal puis sur l’être humain », détaille le chercheur. Et tous ces essais doivent être réalisés par des organismes certifiés.

Outre aider à concevoir des nouveaux matériaux, les sciences de la mécanique permettent aussi de déterminer les dimensionnements des instruments médicaux comme ceux employés en chirurgie dentaire. La forme est cruciale pour la précision du soin. « Par exemple, l’outil pour dévitaliser une dent ressemble à un foret. Et, pour éviter qu’il se visse à l’intérieur de la dent lorsqu’il tourne, il doit présenter une forme irrégulière », explique Shabnam Arbab Chirani. Il ne fait nul doute que les sciences de la mécanique jouent un rôle essentiel pour la santé. La qualité des agrafes et prothèses orthopédiques, des limes endodontiques ou encore des stents cardio-vasculaires dépend des recherches menées dans cette discipline. Enfin, avec l’augmentation de l’espérance de vie dans les pays industrialisés, l’usage de ces dispositifs est en plein essor.