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Matériaux > Métaux

Titane-nickel : un alliage biocompatible à mémoire de forme

Publié le 30 janvier 2010 par Patrick RENARD
Source : AMF

Il existe plusieurs familles d'alliages à mémoire de forme, à base de cuivre ou de fer, mais le titane-nickel est le seul biocompatible, donc utilisable en chirurgie. Voici une présentation générale de cet alliage, de ces propriétés et de ses applications en matières d'agrafes d'ostéosynthèse et de stents.

Par Philippe Marx, ingénieur matériaux, gérant de la société AMF.

Il est communément admis que l'alliage à mémoire de forme titane-nickel - spécialité de la société AMF - a été développé au "Naval Ordnance Laboratoty" aux États-Unis dans les années 50/60, d'où son nom commercial le plus courant, le Nitinol (NiTi pour ses deux éléments chimiques de constitution et NOL pour les initiales du laboratoire).

Cet alliage est constitué d'autant d'atomes de titane que de nickel. Le troisième élément, qui n'est pas une trace, est l'oxygène. On en trouve environ 500 ppm (parties par millions) et il a un rôle important dans la compatibilité de l'alliage. L'oxygène se combine au titane pour former une couche de passivation de TiO2 en surface. Cette fine couche, très résistante aux attaques du milieu extérieur, joue le rôle de barrière et isole parfaitement le milieu extérieur des atomes de nickel dont certains ions sont cancérigènes.

Propriétés mécaniques

Le Nitinol a deux propriétés extra-ordinaires : la mémoire de forme et la superélasticité. Ces deux propriétés reposent sur le même phénomène de transformation de phase cristalline mais les applications sont très différentes. On peut estimer que 95 % des applications sont médicales et que, parmi ces applications médicales, 95 % utilisent la superélasticité.

La mémoire de forme

On peut aisément expliquer ce terme au travers d'un exemple : prenons un fil droit et plions le à 90°. Si on le réchauffe ensuite, il retrouve sa forme droite. Cette propriété a bien sûr des limites : il ne faut pas dépasser 5 % de déformation en tout point du matériau si l'on veut en retrouver la forme initiale.

La phase basse température, celle qui est molle et que l'on peut déformer, se nomme la martensite. La phase haute température est qualifiée d'austénite (ces termes étant des analogies à la métallurgie des aciers). Lorsqu'on le chauffe, le fil commence à bouger à la température As (austénite start) pour finir de retrouver sa forme initiale à la température Af (austénite finish). En général, il y a un écart d'environ 15°C entre ces deux températures. Pour un aperçu de cet effet, il suffit de taper "Nitinol" sur YouTube.

Cette propriété est par exemple utilisée avec les agrafes d'ostéosynthèse : l'agrafe profite de la chaleur du corps humain pour se fermer toute seule et mettre en contrainte les deux parties d'os, ce qui les aide à se ressouder.

La superélasticité

Il s'agit toujours de mouvement, mais à température constante. Dans cet état, on observe 5 à 6 % de déformation "élastique", c'est-à-dire non permanente, un chiffre 10 fois supérieur à celui du meilleur acier à ressort. De plus, cette déformation se fait quasiment à contrainte constante dès que la contrainte seuil de la superélasticité est atteinte. Par exemple, un fil droit de diamètre 1 mm peut être plié autour d'une axe de 20 mm ; si on le relâche, il retrouve sa forme initiale. Avec tout autre alliage, le fil casse ou reste plié. Cette propriété est largement utilisée en cathétérisme, lorsqu'il s'agit de faire entrer dans le corps un implant tridimensionnel en le pliant sous forme filaire de manière à la faire pénétrer grâce au cathéter. Pour voir des stents en action, il suffit de taper "NDC stent" sur YouTube.


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