Stent de dérivation de flux conique en nitinol imprimé en 3D, avec densité de fibres, taille et forme de section variables. Crédit : IMDEA Materials Institute
Une équipe de recherche internationale dirigée par l’IMDEA Materials Institute et l’Universidad Politécnica de Madrid (UPM) a développé une méthode de fabrication de dispositifs médicaux cardiovasculaires personnalisés utilisant l’impression tridimensionnelle de nitinol, un alliage superélastique.
Ces recherches, publiées dans npj Metamaterials , ont également impliqué des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et de l’Université de Galway, et permettent la conception et la fabrication de structures tressées très flexibles en une seule étape de production.
Cette technologie a déjà été brevetée et son potentiel a été reconnu par le prix national James Dyson.
Ces structures imitent les vaisseaux sanguins et peuvent être comprimées sans défaillance, permettant leur acheminement par cathéter.
Cette recherche aborde l’un des principaux défis de la conception et de la fabrication des dispositifs transcathéter mini-invasifs (MITD) : la difficulté de développer des implants aux géométries tridimensionnelles complexes, adaptés aux besoins spécifiques de chaque patient et capables d’être comprimés pour être implantés à travers un cathéter.
« L’impact clinique des MITD à base de nitinol a été transformateur pour les interventions cardiovasculaires », a expliqué le Dr Carlos Aguilar Vega, l’un des auteurs de la publication.
Prototype de cadre de valve aortique personnalisé en nitinol imprimé en 3D, reconstruit à partir de scanners CT du patient. Crédit : IMDEA Materials Institute
Limites des structures implantaires conventionnelles
« Cependant, malgré leur large adoption clinique, les méthodes de fabrication actuelles imposent des limitations géométriques fondamentales qui restreignent leur optimisation et leur personnalisation. »
« Bien que les progrès récents des techniques basées sur la métallurgie des poudres, telles que le frittage par plasma étincelle, aient élargi les possibilités de fabrication de ces dispositifs, il reste difficile de développer des implants qui combinent des géométries complexes, une flexibilité mécanique et une adaptation anatomique spécifique au patient », a-t-il ajouté.
La plupart des dispositifs médicaux métalliques fabriqués par impression 3D reposent sur des structures en treillis, constituées de réseaux d’éléments interconnectés agencés selon des motifs répétitifs. Bien que ces architectures soient relativement simples à concevoir et à fabriquer, leur comportement mécanique dépend principalement de la flexion de barres rigides.
Cela représente une limitation majeure pour les applications transcathéter, où les implants doivent être comprimés pour s’insérer dans des cathéters de petit diamètre, naviguer dans les vaisseaux sanguins, puis reprendre leur forme originale après déploiement, le tout sans subir de déformation ou de fracture permanente.
Les chercheurs ont constaté que les structures réticulaires classiques ne peuvent supporter les déformations importantes requises par ces procédures. Sous l’effet de la compression, elles deviennent excessivement rigides, exercent des forces considérables sur les parois artérielles et présentent un risque important de fracture pour des déformations proches de 25 %.
Prototype en nitinol imprimé en 3D d’un stent de bifurcation fenêtré et à structure fermée. Crédit : IMDEA Materials Institute
Les filaments tressés absorbent une compression plus importante
Les structures tressées, en revanche, se comportent très différemment. Au lieu de se déformer par flexion d’éléments rigides, elles absorbent la déformation par le mouvement et la réorientation de filaments entrelacés, à la manière des stents tressés classiques ou des mailles textiles.
Pour obtenir la finition de surface de qualité biomédicale requise pour l’implantation, l’équipe a appliqué un traitement combinant gravure chimique et électropolissage .
Les tests ont montré que cette étape de post-traitement réduisait l’épaisseur des fibres de 47,7 % et leur section transversale de 71,1 % par rapport aux structures imprimées. De ce fait, les nouveaux stents tressés pouvaient résister à des compressions allant jusqu’à 50 % de leur diamètre initial tout en conservant plus de 90 % de leur élasticité initiale.
De plus, la force chronique vers l’extérieur (COF) était jusqu’à cinq fois inférieure à celle observée dans les structures en treillis conventionnelles, réduisant considérablement le risque de lésion vasculaire et de thrombose.
« Les structures en treillis fabriquées à l’aide de techniques de fabrication additive conventionnelles ne permettent pas d’atteindre le degré élevé de déformation réversible requis pour les applications transcathéter », a déclaré Aguilar Vega.
« Les structures tressées, en revanche, peuvent facilement supporter les grandes déformations nécessaires tout en conservant à la fois leur intégrité structurelle et leur capacité de récupération élastique. »
Des tests supplémentaires avant les investigations cliniques
L’équipe de recherche a validé avec succès plusieurs prototypes d’un point de vue mécanique en utilisant des indicateurs de performance largement acceptés et un cycle unique de compression-expansion qui reproduit l’insertion réelle du dispositif dans un cathéter et son déploiement ultérieur.
Bien que ces résultats soient prometteurs, les prochaines étapes comprennent des tests de biocompatibilité in vitro et des études animales avant que des essais cliniques sur des patients puissent débuter.
Dispositifs plus petits pour les vaisseaux cérébraux difficiles d’accès
Les chercheurs identifient également le développement de dispositifs neurovasculaires capables de traiter les maladies dans des régions reculées et difficiles d’accès du cerveau comme l’une des prochaines frontières de ce domaine.
La réalisation de cet objectif nécessitera une miniaturisation accrue des structures complexes en NiTi, l’exploration de technologies telles que l’impression tridimensionnelle ultra-précise basée sur la polymérisation à deux photons utilisant des suspensions métalliques, ainsi que la fonctionnalisation magnétique pour permettre la navigation magnétique à distance.
Ce sont là quelques-unes des pistes de recherche que l’Institut des matériaux IMDEA entend explorer dans les prochains mois.
| Le nitinol est un alliage métallique composé principalement de nickel (environ 55 %) et de titane (environ 45 %), développé au début des années 1960 par le Naval Ordnance Laboratory (dont il tire son nom). Propriétés principales • Mémoire de forme : Le matériau peut être déformé à basse température, puis il reprend sa forme initiale et programmée lorsqu’il est chauffé au-dessus de sa température de transformation. • Superélasticité (ou hyperélasticité) : Il peut subir des déformations élastiques importantes (10 à 30 fois supérieures à celles d’un métal classique) et revenir instantanément à sa forme d’origine dès que la contrainte est relâchée. Principales utilisations • Domaine médical : Stents vasculaires, fils d’orthodontie, agrafes osseuses et implants chirurgicaux grâce à sa biocompatibilité et sa flexibilité. • Industrie et grand public : Montures de lunettes souples, composants aérospatiaux, actionneurs en robotique et électronique grand public. |
