Recherche et applications cliniques des plaques osseuses en tantale fabriquées par fusion sélective au laser

Contexte académique

Dans le domaine des implants orthopédiques, les alliages à base de titane (Ti) et le tantale (Ta) sont largement utilisés en raison de leur biocompatibilité élevée. Les alliages à base de titane sont généralement utilisés pour fabriquer des implants porteurs, tels que les plaques osseuses et les tiges fémorales, tandis que le tantale, en raison de sa densité élevée et de son affinité exceptionnelle pour le tissu osseux, est souvent utilisé sous forme poreuse ou comme matériau de revêtement. Cependant, les méthodes de fabrication traditionnelles (comme le dépôt chimique en phase vapeur, CVD) ne permettent pas un contrôle précis des caractéristiques topologiques des structures poreuses, limitant ainsi l’application du tantale dans les implants orthopédiques. Ces dernières années, la technologie de fabrication additive (AM), en particulier la fusion sélective au laser (SLM), a offert de nouvelles possibilités pour la fabrication d’implants personnalisés avec des structures poreuses complexes. Cette étude vise à fabriquer des plaques osseuses en tantale par la technologie SLM et à évaluer leurs performances en tant que matériau de fixation interne pour les fractures.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par une équipe de recherche du département d’orthopédie de l’hôpital Zhongshan affilié à l’université de Dalian, avec comme principaux auteurs Dewei Zhao, Baoyi Liu, Feng Wang, Zhijie Ma et Junlei Li. L’article a été publié en ligne le 27 décembre 2024 dans la revue Bio-design and Manufacturing, avec le DOI 10.1631/bdm.2300321.

Processus de recherche

1. Préparation des échantillons

L’équipe de recherche a utilisé des poudres sphériques de Ti6Al4V (à très faible teneur en impuretés, ELI) et de tantale (pureté > 99,95 %) pour fabriquer des disques de Ti6Al4V et de tantale (diamètre de 20 mm, épaisseur de 2 mm) par la technologie de fusion sélective au laser (SLM). Les paramètres de fabrication pour le Ti6Al4V étaient les suivants : épaisseur de couche de 30 μm, puissance laser de 150 W, temps d’exposition de 40 μs, distance entre les points de 50 μm et espacement de balayage de 60 μm. Pour le tantale, les paramètres étaient : intervalle d’exposition de 100 μs, puissance laser de 260 W, épaisseur de couche de 30 μm, distance entre les points de 50 μm et espacement de balayage de 65 μm. Les échantillons ont été traités par grenaillage pour éliminer les particules métalliques de surface, puis polis avec du papier abrasif SiC jusqu’à 2000 grains, et enfin nettoyés par ultrasons et séchés.

2. Caractérisation des matériaux

La morphologie de surface et la composition élémentaire des échantillons ont été observées par microscopie électronique à balayage (SEM) et spectroscopie à dispersion d’énergie (EDS), tandis que la composition des phases a été analysée par diffraction des rayons X (XRD). Le test de l’angle de contact a été utilisé pour caractériser l’énergie de surface, et la rugosité de surface a été mesurée par microscopie confocale à balayage laser (CLSM). Des essais de traction ont été réalisés pour évaluer les propriétés mécaniques, en testant la résistance à la rupture, la résistance ultime à la traction et l’allongement à la rupture de cinq échantillons.

3. Culture cellulaire

Des ostéoblastes dérivés de la calotte crânienne de souris (cellules MC3T3-E1) ont été utilisés pour des expériences de prolifération, de morphologie et de différenciation cellulaire. Les cellules ont été cultivées dans un milieu α-MEM contenant 10 % de sérum fœtal bovin, et la prolifération cellulaire a été mesurée à l’aide du kit CCK-8. La viabilité cellulaire a été évaluée par coloration des cellules vivantes/mortes, et la morphologie cellulaire a été observée par CLSM. L’expression des gènes liés à l’ostéogenèse (Runx2, ALP, OCN, OPN, Col-1) a été mesurée par PCR quantitative en temps réel (qPCR).

4. Réponse des macrophages in vitro

Des macrophages RAW 264.7 ont été utilisés pour évaluer l’effet du SLM Ti6Al4V, du SLM Ti6Al4V avec revêtement de Ta et du SLM Ta sur la polarisation des macrophages. L’expression de iNOS et de CD206 a été détectée par immunofluorescence, et les marqueurs de surface des macrophages M1 et M2 (CCR7 et CD206) ont été analysés par cytométrie en flux. Les niveaux d’expression des cytokines inflammatoires ont été mesurés à l’aide d’un panel de cytokines murines.

5. Expériences animales

Des tiges de SLM Ti6Al4V, de SLM Ti6Al4V avec revêtement de Ta et de SLM Ta ont été implantées dans le condyle fémoral de lapins néo-zélandais, et les propriétés d’ostéointégration ont été évaluées après 6 semaines. Le contact os-implant (BIC) et la formation de nouvel os ont été observés par coloration de Van Gieson (VG), et la stabilité des implants a été évaluée par des tests de force de poussée.

6. Essais cliniques

De septembre 2021 à février 2023, 20 patients atteints de fractures des membres (14 hommes et 6 femmes) ont été sélectionnés pour une fixation interne avec des plaques poreuses en tantale fabriquées par SLM. La guérison des fractures a été évaluée par radiographie après l’opération.

Résultats principaux

1. Caractérisation des matériaux

La rugosité de surface du SLM Ti6Al4V et du SLM Ta était similaire, respectivement de 2,000 μm et 2,046 μm, tandis que celle du SLM Ti6Al4V avec revêtement de Ta était de 2,208 μm. L’énergie de surface du SLM Ti6Al4V était la plus élevée (40,6 mN/m), suivie par celle du SLM Ta (35,3 mN/m), et celle du SLM Ti6Al4V avec revêtement de Ta était la plus faible (33,1 mN/m). Les essais de traction ont montré que le SLM Ta avait la meilleure capacité de déformation plastique, tandis que le SLM Ti6Al4V avait la résistance à la traction la plus élevée.

2. Culture cellulaire

La prolifération, l’adhésion et la différenciation ostéogénique des cellules MC3T3-E1 sur les surfaces de SLM Ta et de SLM Ti6Al4V avec revêtement de Ta étaient significativement supérieures à celles sur le SLM Ti6Al4V. Les résultats de la qPCR ont montré que les niveaux d’expression des gènes liés à l’ostéogenèse sur les surfaces de SLM Ta et de SLM Ti6Al4V avec revêtement de Ta étaient significativement plus élevés que sur le SLM Ti6Al4V.

3. Réponse des macrophages

Le SLM Ta a significativement favorisé la polarisation des macrophages vers le phénotype M2 et a inhibé la sécrétion de cytokines inflammatoires. La cytométrie en flux a montré que la proportion de macrophages M2 dans le groupe SLM Ta était significativement plus élevée que dans le groupe SLM Ti6Al4V.

4. Expériences animales

Le groupe SLM Ta a montré la plus grande surface de contact os-implant (BIC) et de formation de nouvel os, et les tests de force de poussée ont montré que la stabilité des implants SLM Ta était significativement supérieure à celle des implants SLM Ti6Al4V.

5. Essais cliniques

Toutes les fractures des patients ont bien guéri, avec un temps opératoire moyen de 56 minutes et une perte de sang moyenne de 145,6 ml. Les radiographies ont montré que les lignes de fracture avaient complètement disparu 3 à 6 mois après l’opération.

Conclusion

Cette étude a fabriqué des plaques osseuses poreuses en tantale par la technologie SLM et a validé leurs performances supérieures en tant que matériau de fixation interne pour les fractures. Le SLM Ta présente d’excellentes propriétés mécaniques, une activité anti-inflammatoire et une capacité d’ostéointégration, favorisant la guérison des fractures et évitant une deuxième intervention chirurgicale. Cette recherche offre de nouvelles perspectives pour la conception et la fabrication personnalisées d’implants orthopédiques, avec une valeur scientifique et applicative significative.

Points forts de la recherche

1. Technologie de fabrication innovante : Première fabrication de plaques osseuses poreuses en tantale par SLM, permettant un contrôle précis des structures poreuses complexes.
2. Biocompatibilité exceptionnelle : Le SLM Ta présente une affinité cellulaire et une activité ostéogénique supérieures à celles des alliages de titane traditionnels.
3. Perspectives cliniques : Les plaques poreuses en tantale fabriquées par SLM ont démontré de bons résultats de guérison des fractures dans les essais cliniques, offrant un large potentiel d’application.