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ANSYS BLOG

March 3, 2020

Concevoir de meilleurs implants : Le matériau osseux est-il plus solide que l'acier ?

Je pourrais dire que la nature est le plus ancien et le meilleur ingénieur du monde. Au fil des millénaires, elle a itéré nos conceptions et perfectionné nos composants pour qu'ils deviennent plus légers, plus solides et hautement optimisés.

Par conséquent, les ingénieurs humains commencent à s'inspirer des exemples de la nature grâce à la science du biomimétisme.

Cependant, certains pourraient penser qu'il est peu probable que nos os dépassent les matériaux que nous utilisons pour concevoir les produits de tous les jours. On pourrait se demander :

Les os sont-ils plus solides que l'acier ?

Les os sont-ils plus solides que le béton ?

Eh bien, ça dépend.


La nature optimise nos structures osseuses depuis des millénaires.

L'os a généralement un module d'élasticité comparable à celui du béton, mais il est 10 fois plus résistant en compression.

En ce qui concerne la comparaison entre l'acier inoxydable et l'acier, l'os a une résistance à la compression similaire mais est trois fois plus léger.

Alors, que se passe-t-il lorsqu'un os est tellement endommagé que les ingénieurs humains doivent intervenir ? Il s'avère que le génie de la nature est encore plus évident lorsque nous essayons de remplacer son travail.

Pourquoi le matériau osseux est-il si solide ?

Bien que les implants soient une nécessité pour de nombreuses personnes, leurs performances dans le temps ne sont pas comparables à la longévité de l'os moyen. Par exemple, l'usure d'une articulation du genou peut prendre de 60 à 80 ans. Cependant, une prothèse du genou a de la chance de durer un quart de cette période.


Un genou classique peut durer de 60 à 80 ans tandis qu'un genou artificiel peut durer de 15 à 20 ans.

Les ingénieurs doivent concevoir leurs implants pour qu'ils puissent supporter une charge importante. Au cours d'activités quotidiennes, comme la marche ou le saut, une structure squelettique typique peut subir des charges représentant quatre à vingt fois le poids du corps d'une personne. Ces charges peuvent prendre la forme de :

  • Compression
  • Torsion
  • Cisaille
  • Tension

Comment l'os survit-il à ces forces ? C'est grâce à sa microstructure composite. L'os est constitué de fibres de collagène qui sont rigidifiées par un remplissage dense et des minéraux environnants. Il contient également :

  • Vaisseaux sanguins
  • Cellules vivantes
  • Protéine
  • Eau

De même, les composites sont devenus un élément important de la conception et de la sélection des matériaux. Cependant, le fait que l'os puisse s'adapter et changer en fonction de son environnement est une caractéristique difficile à imiter pour les ingénieurs. Par conséquent, ils utilisent à la fois la sélection des matériaux et la conception pour itérer leurs implants jusqu'à ce qu'ils répondent aux attentes.

Les ingénieurs poursuivent la recherche de substituts de matériaux osseux

Comme les ingénieurs ne peuvent pas reproduire tout ce qu'un os peut faire, leurs conceptions de dispositifs médicaux sont optimisées pour des cas d'utilisation spécifiques.

Par exemple, lorsqu'un patient a besoin d'une greffe osseuse, les ingénieurs s'efforcent de faire correspondre la chimie et la microstructure de l'os restant. Une bonne option ici est le phosphate de calcium car il stimule la croissance osseuse, favorise la guérison et aide à l'intégration des matériaux greffés.


Tissu osseux

Les remplacements d'articulations ont leurs propres défis. Dans ce cas, les ingénieurs devront trouver un matériau dont les performances correspondent à celles de l'os environnant. Les propriétés de ce matériau varient en fonction de l'âge, du sexe, du poids et du mode de vie du patient, entre autres. Les ingénieurs devront également s'assurer que le matériau possède les bonnes propriétés de résistance à la corrosion et de biocompatibilité.

Grâce à un outil de sélection des matériaux, les ingénieurs peuvent faire correspondre le matériau approprié à un patient et à son état de santé. Les ingénieurs peuvent également utiliser un logiciel d'intelligence des matériaux pour concevoir de nouveaux matériaux plus performants que ceux actuellement disponibles sur le marché.

Pour en savoir plus, visionnez le webinaire : Material Intelligence : De la sélection à la gestion.

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