Différents matériaux (alliages de cobalt-chrome, titane, polyéthylène, céramique, ...) sont utilisés pour réaliser les prothèses médicales. Leur choix est dicté par les contraintes d'usage (usure, effort mécanique, biocompatibilité) supportées par la prothèse mais aussi par d'autres critères médicaux (age au moment de l'opération, activité physique du patient, gravité de la pathologie, ...). La fonderie de cire perdue est le procédé de fabrication retenu pour la fabrication des éléments métalliques des prothèses médicales. La fabrication addtive est apparu très récemment pour des implants faciaux en titane poreux pour des pièces sur mesure (reconstruction).
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Prothèse de hanche : alliage chrome-cobalt, polyethylene, ....

Les couples de frottement
Différents couples de frottement sont utilisés pour les prothèses; métal/métal, polyéthylène/métal, céramique/métal ou encore céramique/céramique. En effet, une prothèse est constituée généralement de plusieurs pièces qui vont s'articuler entre elles avec des forces de frottement. Il est nécessaire d'obtenir un couple de frottement le plus bas possible afin de minimiser l'usure et la génération de débris résultant.

Des matériaux différents selon la prothèse

  • Prothèses de genou. Si les premières prothèses étaient en acier inoxydable, on utilise maintenant des alliages en cobalt-chrome qui sont plus résistants au frottement et produisent de ce fait moins de débris d'usure. Les céramiques massives sont également employées depuis peu par les japonais. Les titane est utilisé pour le plateau tibial métallique.
  • Prothèse de hanche. Chaque année, plus de 150 000 prothèses de hanche sont implantées en France. La prothèse est constituée de 4 ou 5 parties (la tige fémorale, la tige modulaire, la tête et un insert). Le titane est utilisé pour sa résistance et son élasticité pour 2 pièces (tige et cotyle prothétique), le chrome-cobalt (ou une céramique alumine) pour la tête, et le polyéthylène, l'alumine ou la céramique pour l'insert. Un revêtement d'hydroxyapatite (permettant la fixation de l'os) pour 2 pièces (la tige et le cotyle).
  • Implant cranien. Le titane est préféré pour les implants craniens (reconstruction cranienne) du fait de sa résistance et sa légèreté. La fabrication additice permet, depuis peu, de réaliser des implant en titane micro-poreux sur mesure après un scan3D et une reconstruction CAO si nécessaire.

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Implant facial en titane par fabrication additive métallique

Revêtement de surface hydroxyapatite
Les revêtements de surface de prothèses sont apparus en 1986 pour les prothèses de hanche. On projette (par une torche à plasma) une fine couche (150 µm) d'hydroxyapatite qui se fixe en surface du métal de la prothèse. L'hydroxyapatite est un composant minéral de l'os qui peut être fabriqué chimiquement. L'os voisin identifie l'hydroxyapatite comme l'un de ses constituants et vient se fixer rapidement sur le revêtement et donc sur la prothèse.

Les propriétés d'un implant
Selon la prothèse et la zone d'implantation, les propriétés requises pour un implant sont :

  • Physiques. On recherche des propriétés mécaniques (module d'Young) proche de celle de l'os afin d'assurer le transfert des contraintes entre l'os et la prothèse. Ainsi l'os a un module d'Young de 20 GPa contre 220 GPa pour les alliages chrome-cobalt et 60 GPa pour les alliages de titane.
  • Chimiques. Le matériau est soumis à l'agression des fluides du corps humain (ion chlorure et oxygène) qui peuvent, à termes, corroder en surface l'implant et entraîner une dégradation prématurée.
  • Biologiques. Il faut que le matériau utilisé soit bio-compatible et n'entraine pas de toxicité, un rejet par le corps humain ou une inflammation locale. A la surface d'une pièce de titane se forme ainsi une couche d'oxyde TiO2, qui protège la prothèse de la corrosion par les ions chlorures du corps humain. Cette couche va être détruite par les attaques chimiques et mécaniques mais se reforme en permanence.

La fonderie de cire perdue
On réalise par fonderie de cire perdue les pièces métalliques de prothèse en alliages de chrome-cobalt ou de titane.