Monocristaux des alliages flexibles et résistants à base de CoCr. Crédit :Université du Tohoku
Un groupe de recherche a révélé un biomatériau à base de cobalt-chrome qui imite la flexibilité des os humains et possède une excellente résistance à l'usure. Le nouveau biomatériau pourrait être utilisé pour des implants tels que des remplacements d'articulations de la hanche ou du genou et des plaques osseuses, atténuant les problèmes associés aux matériaux d'implants conventionnels.
Les détails de leurs recherches ont été publiés dans la revue Advanced Materials le 9 mai 2022.
Avec l'augmentation de la population âgée dans le monde, le besoin de biomatériaux améliorés capables de remplacer ou de soutenir les os endommagés a augmenté. À cette fin, les métaux sont largement utilisés en raison de leur résistance et de leur ductilité. Cependant, en raison de leur force, leur flexibilité diminue.
À ce jour, la plupart des biomatériaux métalliques sont plus rigides que les os humains, et leur utilisation comme implants entraîne une atrophie osseuse, une condition dans laquelle la densité osseuse est réduite en raison d'une dégradation de la substance et de la structure osseuses. Pendant ce temps, les biomatériaux à flexibilité élevée perdent leur résistance à l'usure.
Bien que les matériaux superélastiques fabriqués à partir d'alliages de nickel-titane (Ni-Ti), qui sont couramment utilisés dans les stents et les fils orthodontiques, conservent une grande flexibilité et la capacité de récupérer des contraintes, le Ni est un élément allergique. Les alliages sans nickel n'ont pas reproduit la superélasticité des alliages Ni-Ti, ce qui les rend peu pratiques.
Le groupe de recherche, qui comprenait des chercheurs de l'École supérieure d'ingénierie et de l'Institut de recherche sur les matériaux (IMR) de l'Université de Tohoku, du Centre J-PARC, de l'Agence japonaise de l'énergie atomique et de l'Académie tchèque des sciences, s'est concentré sur la réduction de l'écart de module de Young entre implants métalliques et os humains. Lorsqu'un matériau est souple, il a un module d'Young faible. Lorsqu'il est rigide, il a un module d'Young élevé.
Le nouveau biomatériau à base de Co-Cr a non seulement un faible module de Young (10-30 GPa) similaire aux os humains, mais a également une résistance élevée à l'usure, perturbant la relation de compromis dans les biomatériaux métalliques conventionnels. Ces alliages présentent également une énorme déformation superélastique récupérable jusqu'à 17,0 %, soit deux fois celle du Ti-Ni commercial. Crédit :Université du Tohoku
"Étant donné que le module de Young dépend de l'orientation cristalline, nous avons développé des monocristaux avec une orientation cristalline spécifique", a déclaré Xiao Xu, auteur correspondant et professeur adjoint à la Graduate School of Engineering de l'Université de Tohoku.
En utilisant une technique de traitement thermique cyclique, Xu et ses collègues ont réussi à préparer de grands monocristaux de plusieurs centimètres. L'alliage Co-Cr-Al-Si (CCAS) développé a démontré un taux de récupération de déformation de 17 %, soit deux fois celui des alliages à mémoire de forme Ti-Ni commerciaux. De plus, le module de Young du CCAS était extrêmement faible, ressemblant à la flexibilité des os humains.
"Nous savions que le chrome possédait une forte résistance à la corrosion, mais la superélasticité, la flexibilité et la résistance à l'usure significative du matériau à base de cobalt-chrome nous ont surpris", a ajouté Xu.
À l'avenir, le groupe de recherche espère découvrir pourquoi leur CCAS a obtenu les propriétés supérieures qu'il a obtenues. Cela pourrait conduire à développer des matériaux de nouvelle génération avec des propriétés encore meilleures. Une nouvelle méthode pour contrôler la microstructure et les performances des implants humains imprimés en 3D
