Les matériaux médicaux

Introduction

Cet article a pour but de présenter les caractéristiques importantes concernant la famille des matériaux dits médicaux dédiés à l'impression 3D. Il y sera comparé différents matériaux provenant de différents fabricants selon des propriétés jugées prédominantes et essentielles à savoir. Tout ceci ayant pour objectif de vous aider à découvrir de nouveaux matériaux et de nouvelles possibilités auxquelles vous n'auriez peut-être pas pensé ! Nous souhaitons vous orienter au mieux dans vos choix matériaux, en correspondance avec vos projets !

Tous les matériaux polymères dédiés à l'impression 3D par dépôt de matière fondue (FDM) possèdent des caractéristiques propres. Cependant, il faut faire un tri et déterminer les propriétés principales que l'on va retrouver dans chacun de ces matériaux. Celle qui définiront le plus leurs comportements et qui établiront des critères de décision primordiaux quant à la sélection du matériau. 

Voici ces caractéristiques techniques retenues :

• La résistance aux chocs en kJ/m², qui définit la robustesse d'un matériau, sa qualité à absorber les chocs. Plus cette valeur est élevée, mieux sera la tenue du matériau face aux impacts.

• L'allongement à la rupture en %, qui définit l'élongation maximum que peut avoir un matériau avant de rompre, de se séparer en deux. Plus cette valeur est élevée, mieux sera la capacité de pliage et d'étirage du matériau.

• Le module d'Young en MPa, qui définit la raideur d'un matériau, sa tenue dimensionnelle et temporelle. Plus cette valeur est élevée, plus faible sera la déformation du matériaux.

• Le module de flexion en MPa, qui définit la rigidité du matériau. Plus cette valeur est élevée, plus la rigidité du matériau sera élevée.

• La dureté, mesurée selon une échelle qui varie en fonction du matériau. Cette donnée définit la résistance qu'oppose une surface à une pénétration.

Ensuite, selon la famille de matériaux, d'autres caractéristiques essentielles et propres au domaine concerné seront exposées et confrontées.

Quels tests sont effectués ?

Il existe de nombreux tests expérimentaux afin de chiffrer les caractéristiques techniques des matériaux. Ces derniers varient selon les normes nationales ou selon l'utilisation futur du produit.

Pour la résistance aux chocs des polymères, on réalise l'essai de flexion par choc sur éprouvette entaillée Charpy, aussi utilisé pour d'autres matériaux comme les métaux. Cet essai est destiné à mesurer l'énergie nécessaire pour rompre en une seule fois une éprouvette préalablement entaillée en V. On utilise un mouton-pendule muni à son extrémité d'un couteau qui permet de développer une énergie donnée au moment du choc. L'énergie absorbée est calculée en comparant la différence d'énergie potentielle entre le départ du pendule et la fin de l'essai. 

Schéma explicatif du fonctionnement du mouton-pendule

L'allongement à la rupture est déterminée selon la norme ISO 527 ou l'ASTM D 638, qui régit les essais de traction sur les matériaux polymères. Les méthodes sont utilisées pour étudier le comportement en traction des éprouvettes par la détermination de la résistance en traction, du module d'élasticité en traction et d'autres aspects de la relation contrainte/déformation en traction dans des conditions définies. On utilise une machine de traction qui va étirer une éprouvette normée selon des critères de vitesse et de température définis. Le résultat sera sous forme de courbe.

Exemples de machines de traction

Le module d'Young ou module de traction, est déterminé avec la même méthode que pour l'allongement à rupture. Les mêmes normes et les mêmes machines sont utilisées. Il s'agit de la constante qui relie la contrainte de traction et le début de la déformation d'un matériau élastique isotrope. On peut calculer le module d'Young grâce à la loi de Hooke.

Le module de flexion est calculé en effectuant des tests de flexion 3 points sur des éprouvettes que l'on peut assimiler à des poutres. On utilise donc une machine de flexion 3 points qui peut être modifiée si nécessaire en 4 points afin de réaliser un essai mécanique de flexion, qui donnera une courbe de contrainte-déformation. Cette méthode permet de déterminer d'autres facteurs tels que le cisaillement, la limite élastique et la contrainte maximum en flexion.

Exemple de machine de flexion 3 points et schéma de l'essai

La dureté est une propriété dont la méthode de détermination varie selon le matériau étudié, elle porte ainsi plusieurs appellation, en fonction du procédé utilisé. Pour les métaux on parlera de dureté Vickers ou Rockwell aux Etats-Unis, pour les bois la dureté Janka, la dureté Barcol pour les composites, etc. Chaque méthode diffère selon le matériau, mais il s'agit toujours d'un essai de pénétration ou de rebondissement sur la surface du matériau. Pour la dureté Shore, celle des polymères, on utilise un duromètre portable.

Schéma explicatif de l'essai de dureté Shore d'un duromètre

A savoir

• En impression 3D, il n'y a pas de bons ou de mauvais matériaux. Chacun est adapté à une utilisation spécifique, les caractéristiques diffèrent afin d'être en accord avec une certaine application.

• Certaines propriétés sont difficilement quantifiables et comparables ainsi elles ne seront pas présentées sous forme de tableaux de comparaison.

Les Médicaux

Pour qu'un produit soit certifié "Médical", il faut que l'ensemble du matériel des ustensiles, des contenants ou des autres surfaces de la pièce qui entrent en contact avec l'Homme soient fabriqués avec un matériau de qualité médicale non toxique qui n’entraînera pas la contamination et qui n'y contribuera pas. Un certain nombre de facteurs doivent être examinés lorsqu'il faut déterminer quel matériau de qualité médicale convient le mieux.

Certains types de matériaux font, par ailleurs, l'objet d'une réglementation spécifique.Tous les filaments médicaux utilisés en impression 3D respectent la norme ISO 10993-5.

L'ISO 10993-5:2009 spécifie les méthodes d'essai d'évaluation de la cytotoxicité in vitro des dispositifs médicaux. Ces méthodes décrivent l'incubation des cellules cultivées en contact avec un dispositif et/ou des extraits de dispositif, soit directement, soit par diffusion. Elles sont conçues pour déterminer la réponse biologique in vitro des cellules de mammifère au moyen de paramètres biologiques adaptés. Comme exemple nous pouvons voir les filaments du fabricant Healthfil, qui possèdent tous la certification ISO 10993-5.

Il est possible que d'autres matériaux soient de type médicaux, par exemple les céramiques, les métaux, etc. Cependant les plus courant sont les PLA ou les élastomères car ils sont aussi flexibles et pour la plupart bio-sourcés. A noter aussi que la majorité des filaments médicaux sont aussi certifiés Food contact et Skin contact. Si vous êtes intéressés par ces catégories et que vous souhaitez en savoir plus, nous vous invitons à aller regarder les articles "Alimentaires" et "Flexibles".

Ensuite il existe plusieurs sous-normes spécifiques à respecter selon la future utilisation du produit (prothèse, bustier, outils de chirurgie,...). Par exemple le filament PLACTIVE de Copper3D est aussi certifié Food contact selon les réglementations No. 10/2011, No. 1935/2004 et No. 2023/2006.

Tous les filaments liés à cet article sont certifiés médicaux.

Quelles caractéristiques garder ?

Il y a plusieurs caractéristiques qu'il serait intéressant de comparer entre les différents filaments médicaux que nous proposons. Or, il se trouve que ces dernières ne sont pas renseignées de manière équitable entre les fabricants. Lorsque l'un donne la dureté, un autre donnera l'allongement à la rupture. Ainsi il ne nous est pas possible de comparer les matériaux médicaux entre eux à moins d'accepter qu'il y ait des lacunes. Dans ce cas la comparaison ne serait pas fructueuse.

Néanmoins, voici les caractéristiques importantes à observer dans le choix d'un matériaux médicaux, et les raisons pour lesquelles ils ne sont pas comparés :

• L'Action anti-microbienne : cette valeur n'est pas référencée par les fabricants, ainsi on ne peut pas la comparer. On ne peut pas dire si tel ou tel matériau a une meilleure action qu'un autre car tout dépend de l'utilisation future de celui-ci. Il faut s'intéresser aux normes que chacun remplit.

• Le Skin contact : savoir si oui ou non le filament est certifié au Skin contact.

• Le Food contact : cette valeur n'est pas référencée par les fabricants, ainsi on ne peut pas la comparer. On ne peut pas dire si tel ou tel matériau a un meilleur contact alimentaire qu'un autre car tout dépend de l'utilisation future de celui-ci. Il faut s'intéresser aux normes que chacun remplit.

• L'absorption d'eau/d'humidité en % : manque de données de la part des fabricants. Néanmoins dans la globalité l'absorption d'eau/d'humidité est sensiblement la même pour tous les matériaux destinés à une utilisation alimentaire. Elle se trouve être extrêmement faible, voire nulle, on parle alors de matériaux imperméables.

• La résistance aux chocs en kJ/m² : l'essai réalisé donne une valeur "no break" en résultat, ce qui signifie que l'énergie nécessaire pour briser le matériau suite à un impact soudain n'est pas suffisante. Ainsi, les matériaux flexibles possèdent une excellente résistance aux chocs.

Tableau de synthèse

Nous espérons que vous avez apprécié cet article et qu'il vous a permis d'orienter vos choix vers la bonne solution pour réaliser votre projet. Si vous désirez obtenir plus d'informations sur les filaments d'impression 3D, toute notre équipe est à votre écoute. N'hésitez pas à nous contacter !

Vous retrouverez ci-dessous tous les produits associés à la famille des matériaux médicaux.