Titane

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 470 (2023) Citer cet article

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Le développement de nouveaux biomatériaux dotés de propriétés mécaniques exceptionnelles et d’une biocompatibilité élevée a constitué un défi important au cours des dernières décennies. Les métaux nanocristallins ont offert de nouvelles opportunités dans la production de biomatériaux à haute résistance, mais la biocompatibilité de ces nanométaux doit être améliorée. Dans cette étude, nous introduisons les nanocomposites métal-protéine en tant que biomatériaux à haute résistance et avec une biocompatibilité supérieure. De petites proportions d'albumine sérique bovine (2 et 5 % en volume), une protéine abondante dans le corps des mammifères, sont ajoutées au titane, et deux nanocomposites sont synthétisés à l'aide d'un processus de déformation plastique sévère par torsion à haute pression. Ces nouveaux biomatériaux présentent non seulement une dureté élevée similaire au titane pur nanocristallin, mais présentent également une meilleure biocompatibilité (y compris l'activité métabolique cellulaire, les paramètres du cycle cellulaire et le profil de fragmentation de l'ADN) par rapport au nano-titane. Ces résultats ouvrent la voie à la conception de nouveaux composites biocompatibles en utilisant des composés issus du corps humain.

Les biomatériaux ont reçu une attention considérable pour différentes applications ces dernières années. Le développement de biomatériaux métalliques pour implants est un enjeu particulièrement critique tant du point de vue scientifique que technique en raison du contact direct des implants avec les tissus, les os et les fluides du corps humain sous charge. Le corps humain est un environnement très corrosif et complexe, entraînant l'apparition de différents types de corrosion lorsqu'un matériau artificiel porteur est implanté dans le corps humain1,2,3. Le liquide corporel contient divers composés organiques et une variété notable de protéines. Il existe près de 105 protéines différentes disponibles dans le corps humain, chacune ayant un rôle spécifique. Parmi ces protéines, l’albumine serait la protéine la plus abondante dans le plasma et le liquide synovial4, et donc présente dans tout tissu humain où un matériau artificiel pourrait être implanté.

L’une des premières étapes qui influence de manière significative la biocompatibilité est l’adsorption instantanée des protéines des fluides biologiques sur les surfaces des biomatériaux1,2. De plus, l'adsorption des protéines est considérée comme la première et la plus cruciale étape permettant l'adhésion des cellules à la surface du biomatériau et ainsi des phénomènes cliniques pertinents tels que l'ostéointégration des implants orthopédiques se déroulent au cours de cette étape1,2,3,4. L'albumine a été identifiée comme le liant métallique le plus puissant parmi les protéines du sang humain. Ainsi, l'adsorption de l'albumine sur les surfaces des implants joue un rôle clé dans la détermination des fonctionnalités de surface telles que la biocompatibilité, la corrosion et la tribologie5. Les protéines créent une couche épaisse à la surface du matériau et les cellules détectent les surfaces étrangères à travers cette couche et commencent à réagir. Certains rapports sur les implants ont clairement révélé la présence de couches contenant des protéines à la surface1,6, indiquant l'importance de l'interaction des protéines avec les alliages biomédicaux au niveau cellulaire.

Le titane et ses alliages ont été largement utilisés comme biomatériaux potentiels dans de nombreux implants différents en raison de leur faible module élastique, de leur haute résistance à la fatigue, de leur excellente résistance à la corrosion, de leur meilleure biocompatibilité par rapport à d'autres biomatériaux tels que les aciers inoxydables et les alliages Co-Cr7,8 et de leur faible densité de 4,5 g/cm3, soit environ la moitié des aciers inoxydables et des alliages Co-Cr9. Cependant, le principal inconvénient du titane et de ses alliages est leur résistance et leur dureté inférieures à celles des aciers inoxydables et des alliages Co-Cr7,8,9. Des études récentes ont montré que la nanostructuration du titane est une solution efficace pour améliorer sa résistance et sa dureté sans détériorer sa biocompatibilité10,11.

L’utilisation réussie des implants en titane dépend non seulement des propriétés mécaniques telles que le module élastique et la dureté, mais également de l’ostéointégration à l’interface os-implant12. Cependant, en raison de la non-bioactivité des matériaux à base de Ti, ils ne peuvent pas se lier directement à l’os et favoriser la formation de nouveaux os à leur surface dès les premiers stades de l’implantation13,14. Afin d'améliorer l'ostéointégration des matériaux à base de Ti, deux méthodes principales basées sur des modifications de surface ont été utilisées : (1) le contrôle de la topographie de la surface avec des changements physiques et/ou chimiques ; (2) l'immobilisation de molécules bioactives sur la surface de l'implant17,18. La deuxième approche, dans laquelle des revêtements riches en protéines telles que le collagène19 et l'albumine sérique bovine (BSA)5,20,21,22 sont utilisés, peut améliorer la biocompatibilité des alliages à base de Ti.