Caractérisation mécanique des surfaces de biomatériaux à base titane, par ultrasons et par indentation, destinés à des implants médicaux // ultrasonic and indentation mechanical surface characterization of titanium-based biomaterials for medical implants

Topic description

Cette thèse s'inscrit dans le projet européen SAFE qui porte sur les biomatériaux à base titane (Ti) utilisés pour la fabrication des implants médicaux notamment ceux utilisés en chirurgie orthopédique (vis, plaques, endoscope, etc.), vasculaire (stents, etc.) et implantologie dentaire (vis, pilier, etc.). Ils permettent de remplacer la structure biologique perdue ou malade, de restaurer une fonction ou encore la forme. Les implants en Ti sont largement utilisés dans le domaine dentaire où ils sont confrontés à de véritables problèmes cliniques liés à la lenteur de la réponse biologique à leur surface, l'ostéointégration trop lente et la colonisation bactérienne qui entraine le descellement de l'implant et donc sa perte de viabilité. Les performances requises pour les implants sont de bonnes propriétés mécaniques, une résistance contrôlée à la corrosion dans des milieux biologiques, des propriétés antibactériennes et une réponse biologique adéquate. Des modifications de surface sont donc nécessaires pour optimiser leurs propriétés fonctionnelles. Dans ce contexte, l'innovation apportée par le projet SAFE est l'élaboration et la combinaison de technologies de traitements de surface par voies plasma et sèche pour microstructurer et nanostructurer la surface (en Ti) pour répondre au cahier des charges exigeant des cliniciens et des hôpitaux et d'innover dans le développement de biomatériaux. La combinaison des technologies plasma proposée n'a pas encore été envisagée dans d'autres projets et permet d'envisager une montée en TRL de 3 à 7 pour des implants dentaires en Titane et un dispositif endoscopique.
Deux laboratoires de l'UPHF seront impliqués dans la codirection de cette thèse : IEMN (site Valenciennes) et le LAMIH. Ces deux laboratoires apporteront leur expertise notamment dans la caractérisation des surfaces par ultrasons (IEMN) et par indentation (LAMIH). Cette pluridisciplinarité sera mise à profit, tant du point de vue de la caractérisation mécanique et morphologique des surfaces que de l'évaluation de leurs propriétés biologiques.
La caractérisation mécanique à l'UPHF sera faite dans un contexte multiphysique, notamment par des méthodes non destructives basées sur les ultrasons par ondes acoustiques de surface. Ses travaux seront menés sur une plateforme WAVESURF de l'IEMN site Valenciennes. D'autre part, le LAMIH apportera son expérience dans la caractérisation mécanique des surfaces par la technique d'indentation instrumentée (plateforme MORPHOOMECA). La force de cette codirection résidera dans son parc instrumental multiéchelle et dans les compétences développées autour de ces techniques avec la caractérisation de matériaux métalliques ou céramiques sous forme massive, revêtue, multiphasique ou encore poreuse.
Dans le cadre de cette thèse, une optimisation des paramètres de fonctionnalisation des surfaces sera proposée suivant les objectifs visés par le projet. Pour évaluer les traitements antibactériens sur des bactéries pathogènes, une inter-comparaison sera faite entre la technique par ultrasons et par indentation, les mécanismes et les directions de sollicitation du matériau étant différentes. Pour les ultrasons, la technique sera affinée (développement de transducteurs SAW) pour atteindre des fréquences d'excitation suffisamment élevées pour sonder des couches de plus en plus fines. Pour les essais d'indentation, une large gamme de chargement sera appliquée, ce qui permettra l'étude du comportement local jusqu'au comportement du massif. Ces essais pourront également être menés dans un environnement qui simule le milieu d'utilisation finale. Les indicateurs extraits seront le module d'Young, le coefficient de Poisson, une dureté, une ténacité, etc. en fonction de l'application finale visée. Des cartographies de propriétés mécaniques pourront être proposées et mises en face-à-face d'autres caractéristiques comme la morphologie, la corrosion.
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This thesis is part of the European SAFE project, which focuses on titanium (Ti)-based biomaterials used in the manufacture of medical implants, particularly those used in orthopedic surgery (screws, plates, endoscopes, etc.), vascular surgery (stents, etc.) and dental implantology (screws, abutments, etc.). They are used to replace lost or diseased biological structures, restore function or shape. Ti implants are widely used in the dental field, where they are confronted with real clinical problems linked to the slow biological response to their surface, slow osseointegration and bacterial colonization leading to loosening of the implant and consequent loss of viability. The performance requirements for implants are good mechanical properties, controlled resistance to corrosion in biological environments, antibacterial properties and adequate biological response. Surface modifications are therefore necessary to optimize their functional properties. In this context, the SAFE project's innovation is the development and combination of plasma and dry surface treatment technologies to microstructure and nanostructure the surface (in Ti) to meet the demanding specifications of clinicians and hospitals, and to innovate in the development of biomaterials. The proposed combination of plasma technologies has not yet been envisaged in other projects, and offers the prospect of a TRL rise from 3 to 7 for Titanium dental implants and an endoscopic device.
Two UPHF laboratories will be involved in co-directing this thesis: IEMN (Valenciennes site) and LAMIH. These two laboratories will contribute their expertise, notably in surface characterization using ultrasound (IEMN) and indentation (LAMIH). This multi-disciplinary approach will be put to good use, both in terms of mechanical and morphological characterization of surfaces, and in assessing their biological properties.
Mechanical characterization at the UPHF will be carried out in a multiphysics context, notably using non-destructive methods based on ultrasound using surface acoustic waves. This work will be carried out on a WAVESURF platform at the IEMN Valenciennes site. On the other hand, LAMIH will contribute its experience in the mechanical characterization of surfaces using instrumented indentation techniques (MORPHOOMECA platform). The strength of this co-direction will lie in its multi-scale instrument park and in the skills developed around these techniques with the characterization of metallic or ceramic materials in solid, coated, multiphase or porous form.
As part of this thesis, we will be proposing the optimization of surface functionalization parameters in line with the project's objectives. To evaluate antibacterial treatments on pathogenic bacteria, an inter-comparison will be made between the ultrasonic and indentation techniques, the mechanisms and directions of material stress being different. For ultrasound, the technique will be refined (development of SAW transducers) to achieve sufficiently high excitation frequencies to probe thinner and thinner layers. For indentation tests, a wide range of loadings will be applied, enabling the study of local behavior right through to the behavior of the mass. These tests can also be carried out in an environment that simulates the end-use environment. The indicators extracted will be Young's modulus, Poisson's ratio, hardness, toughness, etc., depending on the intended end application. Mapping of mechanical properties can be proposed and compared with other characteristics such as morphology and corrosion.
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Début de la thèse : 01/10/

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Financement d'établissement de l'Union Européenne