Développement de structures métalliques poreuses pour applications médicales : modélisation, fabrication et caractérisation morphologique et mécanique

Résumé

Les implants orthopédiques comme la prothèse de hanche sont composés de matériaux métalliques possédant une rigidité significativement plus élevée que celle des tissus osseux. De ce fait, les chargements comme le poids du corps sont presque entièrement repris par l’implant (effet de déviation des contraintes). Il en résulte donc une résorption de la masse osseuse autour de l’implant augmentant les risques de descellement aseptique ou de fracture de l’os. Une solution possible réside dans le développement d’une nouvelle génération d’implants composés de matériaux métalliques poreux présentant un excellent potentiel de compatibilité mécanique et morphologique. En effet, la rigidité de l’implant poreux, contrôlable grâce à sa porosité, peut être ajustée de façon à ce qu’elle soit similaire à celle des tissus osseux. De plus, l’ostéo-intégration dans la structure poreuse est améliorée, ce qui permet une meilleure adhérence de l’os à l’implant. Cette thèse présente sous forme de trois articles scientifiques les travaux de recherche qui ont mené à la modélisation, la fabrication et la caractérisation morphologique et mécanique de telles structures poreuses métalliques. En premier lieu, un algorithme a été développé pour générer la morphologie de structures poreuses (ou mousses). Par la suite, la stéréologie a été utilisée afin de caractériser la morphologie de mousses de différentes dimensions et porosité sur le plan de la taille, forme et distribution des pores. Ensuite, l’approche du volume élémentaire représentatif a été adoptée afin de déterminer les dimensions minimales de la structure poreuse menant à une morphologie représentative. Enfin, la morphologie des mousses générées avec l’algorithme a été comparée avec succès à celle de mousses de titane produites par frittage de poudre avec matériau espaceur validant ainsi l’algorithme de génération. En deuxième lieu, une approche méthodologique a été développée afin de concevoir, fabriquer et tester des échantillons de traction poreux dans le but de déterminer leurs propriétés mécaniques. La conception des échantillons a été fondée sur la méthode des éléments finis et l’approche du volume élémentaire représentatif. La combinaison de ces deux approches a permis de déterminer les dimensions minimales de la section utile des échantillons de traction. Ensuite, des échantillons de différentes porosités (30 à 50 %) générés par l’algorithme ont été fabriqués à l’aide de la fusion sélective sur lit de poudre. Puis, des essais de traction ont été réalisés sur les échantillons poreux permettant de caractériser leurs propriétés mécaniques. Finalement, les résultats expérimentaux ont été comparés avec succès aux résultats d’analyse par éléments finis dans le domaine élastique. En troisième lieu, une tige fémorale poreuse conçue pour offrir une biocompatibilité améliorée a été développée. En utilisant les résultats des travaux précédents, la porosité optimale de la tige permettant d’obtenir une taille de pore favorisant la croissance osseuse et une rigidité similaire à celle des tissus osseux a été déterminée. La fusion sélective sur lit de poudre a ensuite été utilisée pour la fabrication additive d’une tige poreuse générée par l’algorithme ainsi que d’une autre complètement dense pour des fins de comparaison. En parallèle, un modèle éléments finis a été développé afin de pouvoir prédire le comportement de tels implants. Finalement, des essais mécaniques ont été réalisés sur les tiges. Ceci a permis de valider le modèle numérique et de confirmer que la tige poreuse est beaucoup plus souple que son homologue complètement dense.

Date	11 janv. 2017
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrick Terriault (Directeur(-trice)) & Vladimir Brailovski (Codirecteur(-trice))