Fabrication, morphologie et propriétés mécaniques des mousses métalliques à base de titane et d'alliages de titane métastables pour des applications biomédicales

Résumé

Ce travail porte sur le développement de la technologie de fabrication et la caractérisation morphologique et mécanique des mousses à base de titane (TiCp) et d’alliages de titane métastables Ti−Nb−Zr (TNZ) et Ti−Nb−Ta (TNT). Ce nouveau type de biomatériaux est créé dans le but d’être employé comme implants orthopédiques. Les implants conventionnels constitués de titane sont beaucoup plus rigides que l’os humain. Cet écart de rigidité entre l’implant et l’os amène un problème de résorption osseuse autour de l’implant dû à un phénomène communément appelé le stress-shielding. Cette résorption de la masse osseuse mène à l’assouplissement de la connexion os-implant, puis ultimement à l’échec de l’implant. Une solution à ce problème est de produire des implants de titane poreux, appelés mousses métalliques. Ces implants poreux sont beaucoup plus souples et permettent de se rapprocher, voire répliquer les propriétés mécaniques des os, évitant ainsi le problème de résorption osseuse associé au stress-shielding. En plus d’être plus souples par rapport aux implants conventionnels, les mousses métalliques sont constituées de pores ouverts en surface et interconnectés dans la matière. Cette caractéristique permet la circulation de fluide corporel à travers l’implant et l’ostéointégration, garantissant un ancrage adéquat de l’implant à l’os. Des mousses métalliques ayant un taux de porosité variant de 0.25 à 0.65 provenant des différents matériaux ont été produites à partir d’un procédé issu de la métallurgie des poudres, le frittage de poudre métallique avec matériau-espaceur. Par la suite, la caractérisation de la morphologie a montré que pour toutes les mousses, la plage de porosité 0.35 à 0.45 apparaît être la plus appropriée pour l’ostéointégration puisque celle-ci mène à une distribution de taille de pores globalement comprise entre 100 et 600 μm. Cette plage de tailles de pores fait consensus dans la littérature comme étant optimale pour l’ostéointégration. Pour ce qui est des propriétés mécaniques, les mousses de TiCp, TNZ et TNT ont un comportement similaire en compression : Aucune différence n’est perceptible entre les mousses à l’état fritté. De plus, sur la plage de porosité optimale 0.35 à 0.45, le module de Young des mousses se situe entre 15 et 8 GPa et la limite élastique varie de 300 à 150 MPa. Le module de Young est donc dans l’ordre de grandeur de celui de l’os cortical, alors que la limite élastique est supérieure pour une rigidité équivalente. Ces résultats atteignent les objectifs fixés au niveau des propriétés mécaniques des mousses pour leur utilisation comme implants orthopédiques. Finalement, comparativement aux mousses TiCp, les propriétés mécaniques des mousses à base d’alliages de titane métastables TNZ et TNT peuvent être modifiées à l’aide d’un traitement thermique post-frittage. Ce traitement génère un comportement superélastique provoqué par la transformation martensitique réversible β → α″. L’effet de ce traitement est perceptible dans le cas des mousses à base de TNZ et permet d’abaisser la rigidité de ±20% dépendamment du taux de porosité. Le traitement thermique a cependant beaucoup moins d’effet dans le cas des mousses à base de TNT.

Date	27 juin 2014
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vladimir Brailovski (Directeur(-trice))