Le titane est le métal idéal pour fabriquer des pièces de rechange du corps humain

Mar 05, 2024

Professeur de génie mécanique, Université Edith Cowan

Laichang Zhang reçoit un financement du Conseil australien de la recherche par le biais de projets de découverte.

L'Université Edith Cowan fournit un financement en tant que membre de The Conversation AU.

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Pour marquer l'Année internationale du tableau périodique des éléments chimiques, nous examinons la manière dont les chercheurs étudient certains éléments dans le cadre de leurs travaux.

Il s'agit aujourd'hui de titane, un métal connu pour sa résistance et sa légèreté, il est donc idéal pour fabriquer des remplacements de hanches, de genoux et d'autres parties de notre corps, mais il est également utilisé dans d'autres industries.

Le titane tire son nom des Titans de la mythologie grecque antique, mais ce matériau résolument moderne est bien adapté à une vaste gamme d'applications de haute technologie.

Avec le symbole chimique Ti et un numéro atomique de 22, le titane est un métal de couleur argentée apprécié pour sa faible densité, sa haute résistance et sa résistance à la corrosion.

J'ai d'abord étudié le titane via une maîtrise à l'Institut de recherche sur les métaux de l'Académie chinoise des sciences en 1999. L'un de mes projets consistait à étudier la formation d'alliages de titane pour leurs caractéristiques de haute résistance.

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Depuis lors, les applications de ce métal ont connu une croissance exponentielle, depuis son utilisation (sous forme de dioxyde de titane) dans les peintures, le papier, le dentifrice, les crèmes solaires et les cosmétiques, jusqu'à son utilisation comme alliage dans les implants biomédicaux et les innovations aérospatiales.

Le mariage parfait entre le titane et l’impression 3D est particulièrement intéressant.

Les matériaux en titane sont coûteux et peuvent poser problème lorsqu'il s'agit de technologies de traitement traditionnelles. Par exemple, son point de fusion élevé (1 670 ℃, bien supérieur à celui des alliages d’acier) constitue un défi.

La précision relativement peu coûteuse de l’impression 3D change donc la donne pour le titane. L'impression 3D permet de construire un objet couche par couche et les concepteurs peuvent créer des formes étonnantes.

Cela permet la production de formes complexes telles que des pièces de remplacement d'un os de la mâchoire, d'un talon, d'une hanche, d'implants dentaires ou de plaques de cranioplastie en chirurgie. Il peut également être utilisé pour fabriquer des clubs de golf et des composants d’avions.

Le CSIRO travaille avec l'industrie pour développer de nouvelles technologies d'impression 3D utilisant le titane. (Il a même fabriqué un dragon en titane.)

Les progrès de l’impression 3D ouvrent de nouvelles voies pour améliorer encore la fonction des implants de parties du corps personnalisés en titane.

De tels implants peuvent être conçus pour être poreux, ce qui les rend plus légers tout en laissant passer le sang, les nutriments et les nerfs et peuvent même favoriser la croissance osseuse.

Le titane est considéré comme le métal le plus biocompatible – non nocif ni toxique pour les tissus vivants – en raison de sa résistance à la corrosion provoquée par les fluides corporels. Cette capacité à résister aux environnements corporels difficiles est le résultat du film d’oxyde protecteur qui se forme naturellement en présence d’oxygène.

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Sa capacité à se lier physiquement à l’os confère également au titane un avantage par rapport aux autres matériaux qui nécessitent l’utilisation d’un adhésif pour rester attaché. Les implants en titane durent plus longtemps et des forces beaucoup plus importantes sont nécessaires pour rompre les liens qui les unissent au corps par rapport aux autres implants.

Les alliages de titane couramment utilisés dans les implants porteurs sont nettement moins rigides – et plus proches de l’os humain – que l’acier inoxydable ou les alliages à base de cobalt.

Le titane pèse environ deux fois moins que l'acier mais est 30 % plus résistant, ce qui le rend parfaitement adapté à l'industrie aérospatiale où chaque gramme compte.

À la fin des années 1940, le gouvernement américain a contribué à relancer la production de titane, car il pouvait voir son potentiel pour « les avions, les missiles, les engins spatiaux et d’autres objectifs militaires ».

Le titane est de plus en plus devenu le matériau de prédilection des concepteurs d'avions qui s'efforcent de développer des avions plus rapides, plus légers et plus efficaces.