Entretien publié en juin 2022, réalisé en collaboration avec Lithoz. Les fonctions, applications et données industrielles citées décrivent cette période.
Dans la foulée d’un dossier qui met en lumière « le paysage actuel de la fabrication additive céramique et le modèle économique qui anime les applications industrielles » (édition mars/avril de 3D ADEPT Mag – pp 6-12), il semble évident de se concentrer sur une industrie verticale où il reste encore beaucoup de chemin à parcourir pour que les professionnels de l’industrie exploitent pleinement le potentiel de l’impression 3D céramique : les industries de la santé et du médical.
Les céramiques sont utilisées dans de nombreuses applications médicales, mais les chiffres du marché de la FA médicale ne permettent pas d’isoler automatiquement la part de la FA céramique. Ce dossier examine ses possibilités à partir du point de vue de Lithoz, sans établir une mesure exhaustive de ce marché.
Les usages des céramiques dans la santé comprennent notamment certaines prothèses, des restaurations dentaires et des composants d’équipements médicaux, dont l’imagerie. Ces exemples concernent la céramique au sens large : ils ne démontrent pas que chaque dispositif cité est déjà fabriqué par impression 3D.
Les laboratoires emploient aussi des équipements en céramique et en verre pour les analyses et des composants techniques. Le choix dépend des propriétés recherchées et des conditions d’utilisation.
Au-delà des possibilités géométriques, il faut examiner les limites des matériaux, le procédé complet et les exigences propres au dispositif médical. Ce dossier aborde ces critères avec Daniel Bomze, directeur des solutions médicales de Lithoz lors de l’entretien.
Utilisation de la FA dans le secteur de la santé : impression 3D céramique ou autres procédés de FA ?
La plupart des applications réalisées avec succès grâce à la FA sont généralement décrites et mises en évidence à travers l’objectif des processus de fabrication conventionnels comme principal angle de comparaison. Au fil du temps, avec les progrès des technologies de FA et leur capacité à répondre aux exigences de production de plusieurs industries, nous voyons de plus en plus les avantages de certaines technologies de FA mises en évidence pour certaines applications. C’est également le cas dans le secteur des soins de santé, où nous avons vu des applications rendues possibles par différents types de procédés de FA métal ou d’impression 3D polymère.
« Habituellement, lorsque nous parlons des applications d’impression 3D céramique, la comparaison est facilement faite avec les processus de fabrication conventionnels tels que le moulage par injection et le fraisage », souligne d’emblée le Dr Daniel Bomze, directeur des solutions médicales chez Lithoz.
« Toutefois, si on considère le large éventail de procédés de fabrication additive qui peuvent répondre aux exigences de production de diverses industries, les céramiques sont susceptibles de rivaliser avec des métaux tels que le titane, le chrome cobalt qui est utilisé dans les applications orthopédiques et dentaires, et les polymères à haute performance comme le PEEK qui peut être imprimé en 3D de différentes manières et les matériaux résorbables. Le choix d’un matériau de fabrication additive dépendra donc de l’endroit où on veut apporter une solution. Dans les applications résorbables par exemple, les métaux ne seront pas le choix idéal en termes de matériaux, alors que du côté des polymères, il existe déjà des matériaux qui sont résorbables », poursuit-il.
Cette comparaison doit être nuancée : des alliages métalliques biorésorbables, notamment à base de magnésium, font aussi l’objet de travaux biomédicaux. Le choix ne se réduit donc pas à opposer toutes les céramiques à tous les métaux.
Lithoz développe des machines, des logiciels et des matériaux pour la fabrication de céramiques. Son procédé LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) solidifie par la lumière, couche après couche, un liant photosensible chargé de particules céramiques. Après nettoyage, la pièce crue doit être déliantée puis frittée suivant un cycle adapté au matériau. Le document technique de Lithoz décrit cette chaîne : l’impression seule ne fournit pas la pièce céramique finale.
Lithoz présente des applications dans le médical, l’aérospatiale et l’énergie. Une application ou un matériau disponible dans son portefeuille ne vaut pas autorisation générale pour un usage médical. La FDA précise que l’évaluation concerne le dispositif fini et son usage prévu, et non une approbation illimitée d’un matériau.
Facteurs clés à prendre en compte lors de l’exploration des céramiques techniques dans les applications médicales d’impression 3D
On peut distinguer les céramiques oxydes, comme l’alumine et la zircone, des non-oxydes, comme certains nitrures. Le terme biocéramique décrit un usage ou une interaction biologique : il ne constitue pas une famille chimique entièrement séparée des deux premières.
L’alumine et la zircone figurent parmi les céramiques techniques utilisées en fabrication additive et étudiées pour des applications médicales ou dentaires. Leurs propriétés, leur coût et leur aptitude au procédé dépendent de leur composition et de leur mise en œuvre ; une teneur maximale universelle de 15 % en silice ne définit pas les céramiques oxydes.
Les biocéramiques sont une classe de céramiques avancées qui suscitent de plus en plus l’intérêt des professionnels de la santé en raison de leur capacité à être utilisées dans le corps. Elles sont souvent employées dans des applications médicales et dentaires, principalement comme implants et prothèses. Non seulement pour leur biocompatibilité, mais aussi pour leur capacité à aider le corps à se réparer. Des applications prometteuses de la biocéramique sont donc envisagées en chirurgie reconstructive. Selon Bomze, l’un de leurs principaux avantages est leur disponibilité illimitée. Pour les chirurgies reconstructives où une greffe osseuse est nécessaire, il peut arriver que le chirurgien ait besoin d’une grande zone d’extraction pour obtenir de meilleurs résultats. Dans ce cas, le tissu osseux peut nécessiter une procédure distincte, ce qui signifie une double opération et des risques accrus de complications pour le patient et le chirurgien. Alors que les os artificiels créés à l’aide de biocéramiques peuvent conduire à des solutions imprimées en 3D spécifiques au patient tout en « supprimant la nécessité d’autres opérations chirurgicales. » Même s’ils peuvent entraîner une plus grande fragilité car ils n’ont pas l’élasticité des tissus osseux, Bomze souligne qu’ « avec les os artificiels, la composition chimique est exactement la même que la fraction minérale de l’os. » Enfin, leur utilisation permet également de réduire « la durée de l’intervention en salle d’opération et une meilleure expérience pour le patient. »
Les propos de Bomze décrivent ici le potentiel de certains substituts osseux, notamment à base de phosphates de calcium. Ils ne s’appliquent pas à toutes les biocéramiques. Une proximité avec la fraction minérale de l’os ne signifie pas reproduire l’os vivant complet, ni garantir l’absence d’une nouvelle intervention.
Les non-oxydes, dont le nitrure de silicium et le nitrure d’aluminium, présentent d’autres combinaisons de propriétés. Leur coût, leur résistance à l’environnement et leurs difficultés de fabrication dépendent du matériau et du procédé ; ils ne peuvent pas être classés uniformément comme plus coûteux ou plus difficiles que tous les oxydes.
Il est intéressant de noter que Lithoz a acquis une grande expertise dans le développement de matériaux pour ces trois catégories. Pour le directeur des solutions médicales chez Lithoz, le premier critère à évaluer lorsqu’on explore les céramiques techniques dans l’impression 3D médicale, ce sont les propriétés du matériau choisi pour une application donnée :
« Les céramiques ont des propriétés exceptionnelles et dans certains cas, elles peuvent être la seule option pour des applications et des exigences spécifiques. Cependant, comme tous les matériaux, elles ne peuvent pas être la solution à tous les problèmes. Ce qui est vraiment important ici, c’est de comprendre d’abord les exigences du client et de sélectionner les matériaux qui répondent le mieux à ces exigences. Dans les applications industrielles, par exemple, le nitrure d’aluminium peut être la céramique idéale, mais vous ne l’utiliserez probablement pas pour créer une couronne – une pièce dentaire – car il est plus fragile que la zircone.
Et si vous ne regardez pas d’abord du côté des matériaux lorsque vous explorez l’impression 3D céramique, je vous recommande alors d’évaluer d’autres détails. Presque tous les fournisseurs de technologies cherchent à imprimer la pièce qui ressemble à première vue à la géométrie demandée par le client – cette pièce est souvent appelée “pièce crue” -. Cependant, ce n’est qu’après le frittage que vous pourrez dire si vous pouvez vous fier aux propriétés de la pièce, ou si la machine dans laquelle vous avez investi peut produire des pièces crues, vous ne pourrez jamais fabriquer des pièces en céramique d’un trait car il y aura des fissures, et d’autres problèmes liés à la taille et aux dimensions.
Par conséquent, avant d’investir dans une technologie de production, il est important de comprendre toutes les conséquences qui peuvent résulter de chaque type de production et les détails qui sont souvent les moins mis en évidence. »
Le point essentiel est de vérifier les propriétés et les dimensions après déliantage et frittage, pas seulement la géométrie imprimée. Certaines céramiques résistent bien à des sollicitations thermiques ou chimiques précises, mais ces performances ne sont pas universelles et leur fragilité doit être prise en compte.
« Selon moi, on peut directement trouver une solution à la fragilité des céramiques en développant de nouveaux types de céramiques. Chez Lithoz, nous avons développé une expertise solide dans le développement de nouveaux types de matériaux céramiques imprimables qui ont conduit nos clients à développer diverses formes d’objets 3D. Lithoz travaille également en étroite collaboration avec les fabricants de poudre céramique afin de proposer sur le marché des matériaux céramiques nouvellement développés pour la fabrication additive. De plus, avec les progrès réalisés dans l’impression 3D multi-matériaux, nous avons réalisé que la combinaison de différents types de matériaux permet de remédier à la plupart des inconvénients soulevés par les céramiques techniques.
Prenons l’exemple de deux types de céramiques : les matériaux biorésorbables – des matériaux ostéoconducteurs qui facilitent la régénération osseuse – et l’oxyde de zircone, une céramique haute performance. La combinaison de ces matériaux permet de répondre aux exigences d’un effet de taille critique dans les implants corporels porteurs.
Dans certaines applications, par exemple, on peut combiner la zircone avec certains types de métaux afin de bénéficier des propriétés élastiques d’un métal avec, par exemple, certaines propriétés de résistance à l’usure des céramiques. Les céramiques pourraient être utilisées comme couverture pour protéger la pièce et les métaux comme élément conducteur d’électricité. Au final, la pièce créée bénéficie de la combinaison de chaque matériau sélectionné.
Une autre solution qui mérite d’être mentionnée pourrait être d’opter pour des céramiques non frittées. Si vous utilisez, par exemple, un matériau polymère résorbable hautement chargé avec une certaine céramique, vous n’obtiendrez pas une céramique pure au final, mais plutôt un matériau composite qui pourrait remédier à la fragilité des céramiques.
Chez Lithoz, nous avons également essayé la combinaison de la fibre de verre et de la fibre de carbone, qui fonctionne bien. Cependant, elle pourrait avoir certaines limites et notre équipe de R&D y travaille actuellement », explique Bomze.
Ces combinaisons décrivent des pistes de développement et des possibilités évoquées en 2022 ; elles ne constituent pas une validation clinique générale des implants correspondants.
Le représentant de Lithoz a également attiré notre attention sur le fait que les limites des céramiques techniques peuvent également dépendre de la technologie de fabrication que vous utilisez pour les traiter.
« Pour chaque procédé de fabrication utilisé pour les dispositifs médicaux, vous devez adapter vos processus. À première vue, cela peut sembler un travail supplémentaire, mais si cela vous permet de bénéficier de la liberté de conception de la FA, alors vous devez le faire correctement. Dans ce cas, par exemple, il est crucial de comprendre les règles de conception de FA céramique pour connaître exactement tous les avantages et les inconvénients qui peuvent résulter d’une application donnée. Je pense que la compréhension de ces règles de conception est essentielle pour tirer le meilleur parti de cette technologie », ajoute-t-il.
Focus sur les applications : dentisterie numérique
Lors de l’entretien de 2022, Lithoz souligne ses travaux sur des implants dentaires en céramique avec le Dr Jens Tartsch, fondateur et président de l’ESCI, et Metoxit, spécialiste suisse des céramiques techniques.
L’entreprise met en avant la capacité du procédé LCM à fabriquer plusieurs géométries complexes dans un même cycle. Elle cite notamment la zircone, l’ATZ et la ZTA pour le développement d’applications dentaires. Une capacité de fabrication en série ne démontre pas, à elle seule, la qualification clinique de chaque dispositif.
« La zircone (3 % molaire d’oxyde d’yttrium partiellement stabilisé) offre une excellente résistance sans avoir à faire de grands compromis sur l’esthétique. Un autre matériau récemment apparu dans ce contexte est le nitrure de silicium. Il offre une combinaison exceptionnelle de biocompatibilité, d’antibactérien et de hautes performances mécaniques. Un autre avantage de l’utilisation du nitrure de silicium pour les implants est la bonne nano-rugosité de la surface, qui facilite fortement la fixation de l’os. En traitant ce matériau avec la technologie LCM, il est possible de faire varier la micro-rugosité en utilisant différentes hauteurs de couche et de contribuer à produire un implant sur lequel les cellules osseuses peuvent s’ancrer et se développer. Les matériaux tels que l’ATZ (zircone renforcée à l’alumine) et le ZTA (alumine renforcée à la zircone) conviennent également aux applications dentaires. Contrairement aux métaux, il n’y a pas de problème de libération d’ions ou de corrosion et ces matériaux présentent une stabilité à long terme dans les tissus mous et durs », souligne l’entreprise.
Ces propriétés sont présentées par le fournisseur. Elles doivent être vérifiées sur le matériau, l’état de surface et le dispositif finis pour l’usage envisagé ; la biocompatibilité ou les performances d’une formulation ne s’étendent pas automatiquement à toutes les autres.
Le dossier original mentionne une utilisation de 95 % du matériau, sans préciser suffisamment la base de calcul ni le protocole. Ce pourcentage ne doit pas être interprété comme un rendement de pièces conformes. Le tableau suivant conserve les chiffres de productivité communiqués à l’époque, avec leurs limites de lecture.
| Indicateur rapporté | 1 CeraFab System S65 | 4 CeraFab System S65 |
|---|---|---|
| Implants par cycle | 153 | 612 |
| Durée annoncée du cycle | 5,6 h | 5,6 h |
| Temps par implant annoncé (voir note) | 3 min | 0,5 min |
| Implants annoncés sur 24 h | 656 | 2 624 |
Note de lecture : les dimensions nominales citées sont 103 × 64 × 320 mm. Le ratio de 5,6 h pour 153 pièces correspond à environ 2,2 min par pièce, et non aux 3 min indiquées ; pour 612 pièces, il correspond à environ 0,55 min. Le protocole d’origine ne permet pas de résoudre cet écart. Les volumes sur 24 h supposent un fonctionnement continu et ne renseignent pas le temps complet de déliantage, de frittage, de contrôle ou de préparation clinique.
Au-delà des implants, Lithoz explore aussi les restaurations dentaires. Le bruxisme, cité dans le texte initial, est une activité de serrement ou de grincement des dents ; ce n’est pas une catégorie de restauration imprimée.
L’entreprise présente notamment des restaurations fines de type « tabletop ». Leur précision et leur indication doivent être évaluées pour le procédé et le cas concernés, sans supposer une supériorité universelle sur les méthodes conventionnelles.
« Le processus commence par un scan de la dent, à partir duquel un modèle numérique est créé. Ce modèle est ensuite imprimé en 3D avec précision et efficacité, ce qui minimise la consommation de matériaux par rapport au fraisage ou à la thermopression. Une fois déliantée et frittée, la restauration est prête à être installée, évitant ainsi le retrait du matériau de la dent saine et répondant donc aux principes de traitement invasif minimal et de satisfaction maximale du patient », peut-on lire dans un rapport de Lithoz.
Et maintenant… ?
L’entretien met en évidence l’intérêt de relier le choix des matériaux, la conception et la maîtrise des étapes thermiques. Les collaborations avec les chercheurs et les fabricants de dispositifs peuvent aider à évaluer ces possibilités.
Le passage d’un démonstrateur à un dispositif destiné aux patients exige cependant une validation adaptée, de la traçabilité et les démarches réglementaires applicables. Il ne suffit pas d’imprimer une géométrie ou de multiplier les essais de production pour établir la sécurité et l’efficacité clinique.
Ce contenu a été créé en collaboration avec Lithoz.
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