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Dans les pays en zone de conflits, des appareillages orthopédiques imprimés en 3D à partir de matériaux recyclés

Impression 3D d'orthèse à Lomé au Togo. Crédit : X. Olleros, Handicap International.

Dans les pays à faibles revenus ou en contexte de conflit, seulement 5 à 15 % des personnes ayant besoin d’un appareillage orthopédique y ont accès. En effet, les infrastructures et personnels de santé sont présents en ville et donc difficiles d’accès aux personnes vivant dans des zones rurales ou isolées. De plus, les délais et coûts de fabrication de la conception traditionnelle d’appareillages orthopédiques sont élevés et peu accessibles à tous.

Pour répondre aux problématiques présentes sur le terrain d’intervention, l’ONG Handicap International et le réseau d’écoles d’ingénieur INSA s’unissent depuis 2021, dans le cadre de la Chaire de Recherche « Innovation for Humanity ». L’objectif est de développer des solutions techniques adaptées aux situations dans les pays d’intervention, grâce aux connaissances de l’ONG dans le domaine de l’humanitaire et l’expertise scientifique du Groupe INSA et de ses laboratoires.

Grâce à l’Alliance « Innovation for Humanity », j’ai pu débuter ma thèse de doctorat en octobre 2021 sur l’impression 3D d’appareillages orthopédiques. L’objectif principal de ma thèse est d’utiliser des matériaux recyclés et locaux pour limiter le coût des appareillages orthopédiques et leur impact environnemental.

L’impression 3D a un réel potentiel

Traditionnellement, les appareillages orthopédiques sont réalisés par thermoformage ou stratification par un orthoprothésiste qualifié. Il s’agit d’un procédé long et coûteux qui nécessite de réaliser d’abord un moule en plâtre du membre du patient. Le moule négatif est alors rempli de plâtre et transformé en un moule positif, qui reproduit la forme de la jambe du patient. Ce moule positif est ensuite rectifié pour corriger la posture du patient.

L’appareillage est fabriqué à partir de résine ou il est thermoformé à l’aide d’une plaque de polyéthylène ou polypropylène qui est chauffée pour prendre la forme du moule. Le patient devra alors se rendre plusieurs fois au centre orthopédique pour la réalisation du moule initial puis des ajustements, auxquels il faut ajouter un temps de rééducation. Au final, plusieurs semaines sont requises pour appareiller un patient, avec une prothèse (dispositif de remplacement) ou une orthèse (dispositif de correction).

Conception traditionnelle d’appareillage orthopédique. Crédit : C. Fohlen, Handicap International.

Depuis 2017, Handicap International utilise la fabrication additive, communément appelée impression 3D, pour réaliser des orthèses. Les pièces sont créées, couche par couche, à partir d’un filament en plastique fondu. Il est alors possible de concevoir des orthèses plus rapidement et à des prix plus accessibles. Pour cela, le scan 3D du membre du patient est réalisé à l’aide d’un scanner portatif. Puis, l’appareillage est conçu sur un logiciel de conception et imprimé en 10 à 20 heures. L’impression 3D permet d’aller au plus proche des personnes dans le besoin car le scan 3D du patient peut être pris à distance et envoyé au centre d’impression 3D, qui est encore centralisé. À terme, l’imprimante pourrait être emmenée sur place avec un simple véhicule. Finalement, les études d’Handicap International menées au Togo, Mali et Niger montrent que cette nouvelle technologie est très bien acceptée par les bénéficiaires et les personnels soignants.

Orthèse fabriquée par impression 3D au Togo. Crédit : Author provided, Handicap International.

Cependant, les filaments d’impression 3D utilisés viennent d’Europe et sont fabriqués à partir de matières vierges, ce qui alourdit les coûts financiers et environnementaux et entraîne des problèmes de logistique. Ainsi, Handicap International souhaite fabriquer son filament d’impression 3D directement dans les pays d’intervention, avec des matériaux locaux et recyclés.

Pour diminuer les coûts, l’intérêt du recyclage

Nous nous sommes alors intéressés au recyclage des déchets plastiques, qui sont présents partout dans le monde. Dans les pays en voie de développement, les déchets sont un réel problème pour les populations et les écosystèmes car ils finissent dans la nature à cause d’une gestion limitée. Cependant, les plastiques recyclés peuvent désormais être utilisés en impression 3D. Pour cela, les déchets plastiques seraient collectés, triés, nettoyés, broyés, séchés, extrudés (fondus) en filaments qui pourraient ensuite être imprimés en 3D. Les coûts de fabrication et l’impact écologique liés à la fabrication du filament d’impression 3D seraient alors réduits et il serait ainsi possible de lutter contre la pollution plastique.

Les défis sont donc nombreux. Nous devons d’abord trouver des matériaux qui soient à la fois disponibles, recyclables et imprimables, tout en respectant un cahier des charges complexe en termes de résistance mécanique et de fiabilité, afin de répondre aux besoins des orthoprothésistes. Ensuite, nous devons pouvoir créer un filament recyclé de qualité. Le challenge est de taille car les matières recyclées présentent souvent des impuretés (charges métalliques ou minérales, mais aussi d’autres polymères) alors qu’il est primordial de garder un filament de diamètre constant tout au long de l’impression.

Trois matériaux ont été retenus au début de cette étude :

  • le Polyéthylène Téréphtalate (PET), que l’on retrouve dans les bouteilles plastiques dont les gisements de déchets sont très nombreux, notamment dans les pays en développement où l’accès à l’eau potable est limité. Ce matériau a l’avantage d’être recyclable et imprimable, ainsi que d’avoir de très bonnes propriétés mécaniques.

  • le Polyuréthane Thermoplastique (TPU), qui est de plus en plus utilisé dans le domaine du sport et de la santé pour sa flexibilité. Il présente un grand potentiel en orthopédie pour le confort qu’il peut apporter aux utilisateurs d’orthèses. De plus, il est recyclable et facile à imprimer en 3D. Cependant, c’est un matériau onéreux et il ne possède pas de filière de recyclage.

  • le Polypropylène (PP) est traditionnellement utilisé en orthopédie technique. C’est un polymère recyclable qui est présent notamment dans nos emballages du quotidien, pour l’alimentaire ou l’hygiène. En revanche, il est difficile à imprimer car l’adhésion entre les premières couches et le plateau d’impression est mauvaise. Ce problème peut toutefois être surpassé par un choix rigoureux des paramètres d’impression 3D.

Ainsi, nous avons travaillé avec des filaments de PET et TPU recyclés, élaborés respectivement à partir de bouteilles plastiques et de chutes de l’industrie de la chaussure. De plus, nous avons fabriqué notre propre filament en PP. Pour cela, nous avons utilisé les matières recyclées par l’entreprise PAPREC, qui sont issues du tri sélectif. Nous les avons transformées en filament avec l’entreprise ENKY 3DP, spécialisée dans la fabrication de filament d’impression 3D. Nous avons alors obtenu un filament de qualité avec de très bonnes propriétés mécaniques.

Ensuite, nous avons imprimé des orthèses avec les trois polymères, afin d’étudier le panel de propriétés mécaniques qu’il est possible d’obtenir. Comme les matériaux n’ont pas le même comportement mécanique (le PET est rigide, le PP est semi-rigide et le TPU est flexible) nous avons aussi fait varier l’épaisseur de l’orthèse qui agit fortement sur sa raideur.

Orthèses imprimées à partir de PET, PP et TPU. Crédit : V. Delbruel, INSA et Handicap International.

Nous avons ensuite testé mécaniquement les orthèses pour déterminer leur raideur, qui conditionne le support apporté par l’appareillage à l’utilisateur de l’orthèse. Pour cela, nous avons conçu un banc d’essai qui reproduit la flexion du pied durant la marche. En parallèle, nous avons développé un modèle numérique qui reproduit l’essai mécanique et nous permet d’approfondir nos analyses et d’étudier par exemple les zones qui sont les plus sollicitées dans l’orthèse pendant la marche.

Essais mécaniques et simulations numériques. Crédit : V. Delbruel, INSA et Handicap International.

Nous obtenons alors des orthèses avec des raideurs très différentes : plus le matériau est rigide et plus l’orthèse est épaisse, plus cette dernière sera rigide et bloquera les mouvements de la jambe. Nous avons également remarqué que nous obtenons une proportionnalité entre la raideur et l’épaisseur de l’orthèse, ainsi que la rigidité du matériau. Ce résultat pourrait à terme aider les orthoprothésistes dans leur travail, en leur permettant de choisir la raideur de l’orthèse dès sa conception, afin de répondre au mieux aux besoins du patient.

Finalement, les orthèses en PET ou TPU recyclés ne permettent pas de répondre aux besoins d’Handicap International. Ainsi, nous avons retenu le PP recyclé comme matériau d’étude. Nous souhaitons désormais étudier sa résistance au vieillissement naturel, en reproduisant les conditions climatiques des pays d’intervention d’Handicap International, ainsi que sa résistance en fatigue, pour représenter les sollicitations mécaniques répétées de la marche.

Il reste à aller sur le terrain

Une étude sera menée prochainement sur le terrain, dans les pays d’intervention d’Handicap International, pour étudier les gisements de déchets en PP présents sur place et leur qualité. Nous irons également à la rencontre d’entreprises de recyclage pour découvrir leur fonctionnement et évaluer la façon dont nous pourrions travailler ensemble. Ce sera aussi l’occasion de rencontrer les bénéficiaires d’orthèses et les personnels soignants présents sur place, et d’ajuster la recherche menée à l’INSA en fonction de leurs besoins. Vous pouvez suivre les avancées du projet sur mon blog « Impressions de thèse ».

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