Fabrication additive de structures architecturées en alliages de titane conventionnel et superélastique pour cages intervertébrales

L’Organisation Mondiale de la Santé rapporte que les douleurs de dos, plus particulièrement du bas du dos, sont la principale cause d’invalidité au monde, affectant plus de 600 millions de personnes en 2020. La majorité des cas sont traités par physiothérapie et médication antiinflammatoire, toutefois, certains patients peuvent avoir recours à l’intervention chirurgicale de fusion vertébrale. Les cages intervertébrales présentement utilisées pour ces chirurgies comportent des risques de complications majeures comme la perte de fixation, la migration et la défaillance de l’implant. La fabrication additive (FA), aussi appelée impression 3D, est une des technologies émergentes de production de composantes complexes. Dans le cadre de ce projet, la technique de fusion laser sur lit de poudre est employée pour fabriquer des structures architecturées à partir d’un alliage à mémoire de forme (AMF), le Ti-Ni, qui est une solution envisagée pour produire des cages légères et résistantes, possédant des propriétés fonctionnelles de superélasticité ainsi que la capacité d’ostéo-intégration qui ont le potentiel de réduire les complications. En un premier lieu, un cahier de charges a été établi pour identifier les requis fonctionnels des cages intervertébrales et sélectionner de candidats de structures architecturées. Des structures en diamant à base de poutres et des structures gyroides surfaciques, avec une taille de pore de 750 μm et des niveaux de porosité de 60, 70 et 80%, ont été conçues et fabriquées à partir de l'alliage Ti-6Al-4V. Les structures produites ont été caractérisées en termes de géométrie, de propriétés mécaniques et de perméabilité fluidique. La rigidité des deux structures (1.9-4.8 GPa) est comparable à celle de l'os, tandis que leur résistance mécanique en compression (52-160 MPa) est supérieure à celle des vertèbres (3-6 MPa), réduisant ainsi les risques de détérioration osseuse ou défaillance de l'implant. La perméabilité aux fluides (5-57 x 10-9 m2) et les rapports surface/volume (~3) des deux structures sont proches de ceux des vertèbres. En second lieu, le comportement des structures cellulaires sous différents modes de chargement a été analysé. Les mêmes structures, mais avec des porosités de 50 à 80% ont été testées expérimentalement et simulées numériquement en traction/compression axiale et en torsion pour répliquer la flexion/extension, la compression et la rotation de la colonne vertébrale. Les simulations numériques surestiment le compo