Certains implants nécessitent de combiner du titane ou de l'inox avec du nitinol. Mais souder ces métaux entre eux est problématique. Un problème de fragilité qui peut être résolu par l'apport de matériaux de remplissage biocompatibles, comme le montrent les résultats du projet de recherche MeTiWeld.

Les alliages de titane, ceux de nickel-titane à mémoire de forme (nitinol) et les aciers inoxydables (inox) se caractérisent par une excellente résistance à la corrosion et aux fluides. Cela explique en partie qu'ils comptent parmi les métaux les plus fréquemment utilisés dans les applications médicales, notamment pour la réalisation d'implants et d'instruments chirurgicaux. Dans certains cas, il est souhaitable, pour des raisons fonctionnelles, économiques et/ou de fabrication, d'associer ces différents matériaux pour combiner leurs avantages dans des pièces dotées de propriétés sur mesure. C'est le cas des prothèses de l'oreille moyenne, utilisées pour remplacer l'étrier, qui est le plus petit os du corps humain. Avec une longueur de 5 mm, un étrier est trois fois plus petit que le diamètre d'une pièce de 1 centime. Pour une efficacité maximale de ce genre de prothèse, le crochet (élément de couplage avec l'enclume) est en nitinol, tandis que le piston (placé dans la fenêtre dite ovale) est en titane pur usiné ; l'ensemble nécessitant un soudage à la jonction des deux matériaux.

Des jointures sujettes à fissures

Le problème réside dans le fait que les joints de soudure (obtenus par fusion à l'aide d'un faisceau laser ou électronique) entre le nitinol d'une part et le titane ou l'inox d'autre part, sont susceptibles de se fissurer. Cela est notamment dû à la formation, lors du soudage, de composés intermétalliques très cassants de type céramique. Les combinaisons nitinol-titane et nitinol-inox présentent donc souvent l'inconvénient de faibles résistances mécaniques. 

C'est pour trouver une solution à ce problème qu'a été initié, en janvier 2021, le projet de recherche MeTiWeld qui regroupe des scientifiques des universités de Kassel et de Tübingen/Reutlingen. L'équipe de chercheurs a développé un nouveau procédé utilisant des matériaux de remplissage réfractaires biocompatibles tels que le niobium, le tantale et l'hafnium, connus pour former des solutions solides avec le titane. Le soudage par micro faisceau électronique et le soudage par faisceau laser ont été utilisés, avec des paramètres de processus optimisés (faibles apports d'énergie et alignements précis des faisceaux).

Une résistance à la traction considérablement améliorée

« En faisant appel à ces matériaux d'apport, nous avons pu atteindre des résistances à la traction et à la flexion exceptionnelles, qui dépassent largement les résultats d'études précédentes sur le soudage autogène des matériaux concernés », explique Michael Wiegand, chercheur responsable du projet.

Dans le cas de la prothèse d'étrier, la résistance à la traction a été multipliée par trois grâce au soudage d'un mince film de niobium. 

L'équipe de recherche s'est également penchée, toujours au sein du projet MeTiWeld, sur un autre type de composant médical : le fil guide nécessaire aux examens cardiaques à l'aide d'un cathéter. Elle a pu montrer que l'utilisation de niobium ou de tantale comme matériaux de remplissage entre l'inox et le fil de nitinol conduit à un doublement de la résistance à la traction au niveau de la jonction.

"Nos résultats de recherche confirment également, en ce qui concerne la biocompatibilité, que les conditions sont réunies pour permettre le transfert du projet vers l'industrie du dispositif médical", explique le professeur Stefan Böhm, directeur de recherche à l'Université de Kassel.

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