L'industrie médicale mondiale fait face à de véritables défis. La prévalence croissante de modes de vie peu sains et d’un vieillissement de la population augmentent le risque de pathologie. Il ne fait ainsi aucun doute que nous ferons face à une augmentation de la demande en matière d'appareils médicaux et des soins de santé.
Récemment, des progrès révolutionnaires ont été accomplis en matière d’impression 3D (Additive Layer Manufacturing ou ALM en anglais) dans le domaine des technologies médicales. La « e-santé » et le « scan-to-part » semblent désormais bien établis et promettent d’être des secteurs porteurs du marché des technologies médicales pour les quelques décennies à venir. Cela ouvrira la voie à de nouveaux business models et à des modifications profondes dans les chaînes d’approvisionnement actuelles.
Les patients bénéficieront davantage des avancées des scanners médicaux (tomographe, imagerie par résonance magnétique, ultra-son ou laser intra-orale) et pourront faire numériser leur anatomie dans le but de fournir les informations nécessaires à l’impression tridimensionnelle des produits les plus adaptés. L’ALM ouvre la voie à une toute nouvelle approche des soins de santé qui fournit des solutions efficaces et abordables pour le plus grand nombre. Un signe avant-coureur de cette remarquable évolution est l'autorisation accordée par la Food and Drug Administration américaine à plusieurs dispositifs imprimés.
Quelles sont les applications technologiques médicales actuelles ?
Les applications médicales recourant à la fabrication additive et destinées aux patients peuvent être classées comme suit :
- Produits génériques, déclinés en gammes (implants de hanches, de genoux et de colonne vertébrale, ancrage pour épaule ou matériel de traumatologie tels plaques, vis et clous),
- Produits spécifiques au patient et fabriqués sur mesure (appareils auditifs, semelles orthopédiques, prothèses dentaires et pour les membres amputés, implants orthopédiques pour les malades et les victimes d'accidents tels que les implants crâniens, de mâchoire, d’os du visage ou encore instruments et guides chirurgicaux pour les procédures médicales),
- Modèles/patron requis pour les procédés en aval (moules de coulée « métal » pour les couronnes dentaires ou formage « plastique » sous vide pour les gouttières dentaires).
Quels sont les avantages de la fabrication additive pour l'industrie médicale?
Plusieurs de ces caractéristiques, une fois mises en commun, permettent de rationaliser la chaîne d’approvisionnement afin d’améliorer son efficacité, la rendre plus légère et réduire les coûts de production et délais de fabrication des produits personnalisés :
- Souplesse de conception et gain de complexité à moindre coût
- Diminution du nombre d'étapes de fabrication, sans besoin d'outillage.
- Réduction des inventaires car réduction du nombre de sous-composants et possibilité de fabriquer à la demande.
- Distribution localisée du produit fini à proximité de l'utilisateur.
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Une biocompatibilité des métaux imprimés :
Ti6Al4V est un alliage de titane disponible sous forme de poudre pour techniques d’impression tridimensionnelle. Outre sa faible densité et sa biocompatibilité, c'est un alliage largement utilisé dans les applications orthopédiques en raison de son excellente résistance mécanique à la fatigue et la corrosion. De plus, en fabrication additive métallique, l'atmosphère est hautement contrôlée (argon, azote, oxygène) ce qui permet de garantir des pièces d’une grande pureté et de conserver ces qualités.
L'acier inoxydable 316L et l'alliage cobalt-chrome sont d'autres matériaux biocompatibles et utilisés en fabrication additive.
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Une production d'implants métalliques sur-mesure :
La fabrication traditionnelle des implants sur mesure est longue et coûteuse car chaque pièce est unique et les coûts fixes ne sont pas amortis. En comparaison, la fabrication additive est un procédé souple. Elle réduit le capital nécessaire à l’obtention d'un certain niveau de complexité dans la conception et par conséquent les coûts liés à la personnalisation de la production. Ces produits, plus variés et sur-mesure, fournissent un confort supérieur et conduisent à un rétablissement plus rapide du patient.
Des formes davantage personnalisées optimisent la répartition des contraintes sur les os. Une meilleure adaptation évite aux chirurgiens d’avoir à recourir à certaines retouches manuelles lors de la procédure d’implantation. Le temps d’intervention est donc réduit, de même que le risque d'échec et les coûts globaux.
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Des propriétés mécaniques supérieures :
L'interaction entre le faisceau laser et la poudre, la vitesse de balayage du laser et la taille de point du laser déterminent la microstructure et la taille de la zone de fusion. C'est parce que le gradient de température est le plus élevé autour du bain qu'une extraction de chaleur extrêmement rapide se produit dans cette « zone thermiquement affectée » et qu’apparaît dans la microstructure présente des grains très raffinés.
La fabrication additive présente des aspects métallurgiques uniques. On obtient ainsi des propriétés mécaniques améliorées par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles telles que la fonderie. Ainsi, sans sacrifier la capacité de créer des formes complexes, il est possible de réduire l'épaisseur des sections lors de la conception, d’alléger l'implant et ainsi de réduire l'inconfort du patient.
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Des possibilités de conception plus complexes et une fabrication facilitée :
La fabrication additive permet la fabrication d'une structure dense, à même de supporter les sollicitations mécaniques. Combinée à une zone poreuse de forme précise, cette structure est propice à la croissance osseuse et à la fixation des implants avec les tissus environnants. Traditionnellement, les implants en titane sont fabriqués par fabrication soustractive : on soustrait du matériau pour créer des formes et on ajoute ensuite en surface un revêtement poreux. Enfin, la surface rugueuse de la pièce brute obtenue par fabrication additive (rugosité souvent inadaptée pour d’autres applications) participe également à améliorer l’ostéo-intégration.
Une telle complémentarité entre le résultat brut et les caractéristiques requises pour son utilisation est singulière. Lorsqu'un état de surface grossier est souhaité (bien que cela ne soit pas systématique) certaines opérations peuvent ainsi être éliminées en aval.
Adapter les implants chirurgicaux avec plus de précision provoque non seulement moins d'effets secondaires mais conduit aussi à un rétablissement physique et psychologique plus rapide. La fabrication additive de ces derniers présente le potentiel de révolutionner l'industrie médicale en termes de coûts et de performance.
Spartacus3D et le groupe Farinia entrevoient clairement tout le potentiel de la fabrication additive métallique pour fournir aux entreprises des technologies médicales des produits et techniques de pointe qui permettront de répondre aux nouvelles exigences de l'industrie médicale.