Apprentissage fédéré en segmentation en imagerie cérébrale

Doctorant : Matthis MANTHE

Laboratoire INSA : CREATIS - Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'lmage pour la Santé

École doctorale : ED160 EEA - Electronique, Electrotechnique Automatique de Lyon

L'apprentissage profond en analyse d'image médicale peut amener des outils cliniques intéressants, en accélérant les tâches rébarbatives et ouvrant la porte à des propositions de diagnostique automatiques. Ces modèles entraînés en laboratoire montrent souvent une pauvre capacité de généralisation, principalement dûe au manque de données d'entraînement ce qui limite leur utilité clinique. La construction de bases de données inter-institutionnelles et internationales se heurte aux questions de sensibilité des données de santé. Construire de grandes bases de données dans le domaine médical est excessivement difficile, que ce soit dû aux régulations de données strictes ou aux nombreuses barrières humaines et systémiques. L'apprentissage fédéré a été proposé en 2016 comme un paradigme d'apprentissage décentralisé, collaboratif et sécurisé. Il pourrait être une réponse partielle au problème de partage de données, permettant la collaboration entre différentes entités médicales pour l'entraînement de gros modèles profonds pour un coût légal et de sécurité des données limité. L'algorithme pionnier FedAvg donne des résultats convaincants sur un grand nombre de tâches, mais son utilisation pose de nombreuses questions telles que la justice dans la fédération, sa robustesse aux données aberrantes et ses réelles capacités en sécurité des données. Entre autre apparaissent de sérieuses contraintes sur la distribution des données dans ces fédérations, chaque institution ne possédant qu'une fraction des données biaisée et non représentative. Cette configuration hétérogène des données a été montrée comme altérant significativement la convergence des apprentissages. L'objectif de cette thèse est principalement exploratoire à travers la question de recherche suivante: Comment entraîner des réseaux profonds de manière fédérée pour des tâches de segmentation d'images neurologiques, dans des configurations cross-silo (entre 10 et 100 institutions) et hétérogènes (avec différents modes d'acquisition et de labellisation des données entre institution)?Les organisateurs du challenge Brain Tumor Segmentation (BraTS) ont publié le partitionnement par institution de cette base de données populaire, créant la première (et seule à l'époque) grande base fédérée publique réaliste pour cette préciseuse tâche; FeTS 2021 et 2022. L'étude de l'apprentissage fédéré profond cross-silo et hétérogène pour cette tâche est le point focal de cette thèse. Nous avons dans un premier temps produit un large benchmark de méthodes d'apprentissage fédéré sur la base FeTS 2022. Nous avons exploré pour la première fois les performances de méthodes personalisées et clusterisées pour cette tâche. Nous avons montré que extit{FedAvgJ performe déjà très bien, mais peut être légèrement battu par certaines autres méthodes globales, personalisées ou clusterisées. Nous avons complété ce travail par une méthode basée de comparaison des coûts de ces algorithmes fédérés dans toute leur complexité. De plus, nous avons proposé un nouvel algorithm de rafinement fédéré clusterisé par patient specifiquement pour la segmentation automatique de tumeurs cérébrales. Par un clustering côté serveur basé sur des mesures radiomiques par volume, nous pouvons ratiner un modèle fédéré par type d'acquisition, améliorant légèrement les performances de segmentation. Enfin, nous avons généralisé ce paradigm d'apprentissage fédéré clusterisé par image pour une hétérogénéité d'apparence en segmentation. Nous proposons un clustering dans l'espace des gradients d'un modèle pendant son apprentissage fédéré, montrant une correspondance surprenamment précise avec des aprioris sur l'origine des données. Nous sommes sortis du champ biomédical dans ce travail, évaluant ce paradigme avec une base de données jouet ainsi qu'une tâche de segmentation courante en adaptation de domaine, Cityscapes et GTAS.

Apport des analyses numérique et expérimentale dans l’étude des contacts de type impact-glissement

Doctorant : Matteo DELLI COLLI

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergéque, Génie Civil, Acousque

L’industrie nécessite de réaliser de tests expérimentaux d’usure pour estimer la durée de vie de certains composants. Ces tests sont de plus en plus exigeants en termes de représentativité, surtout que leur endommagement représente des risques pour la sécurité. Ceci est le cas des faisceaux tubulaires supportés avec jeu dans les centrales nucléaires. Pour cette raison, FRAMATOME a développé ses propres bancs d’essais (bancs AURORE) pour étudier l’usure par impact-glissement de ces composants. Chaque banc d’essais est lui-même une structure élancée et supportée avec jeu à échelle réduite, excitée par des forces magnétiques et immergée dans un milieu aqueux à haute température et haute pression. Mis à part l’enjeu de réaliser des essais dans un tel environnement extrême, d’autres défis sont présents : la répétabilité des résultats, étant les conditions d’impact issues de la réponse dynamique d’un système non-linéaire ; la mesure des grandeurs de contact, posant la représentativité des essais des contraintes sur l’instrumentation. Cette thèse a donc deux objectifs : identifier des conditions de fonctionnement de ces bancs d’essais qui donnent des caractéristiques d’impact égales pendant un essai et répétables entre différents essais ; estimer les grandeurs du contact à partir des mesures réalisées. Pour ce faire, une approche numérique et expérimentale a été choisie. Plusieurs modèles numériques ont été mis en place, car les phénomènes ont lieu sur des échelles temporelles et spatiales différentes. La dynamique du système impactant est modélisée comme un oscillateur à impacts avec deux degrés de liberté, soumis à une force magnétique et à des forces liées à l’écrasement du fluide dans le jeu entre le tube et son support. La prise en compte de cet eet est possible grâce à la résolution de l’équation de Reynolds modifiée pour prendre en compte également une partie de l’inertie de l’eau. Ce modèle permet de réaliser des analyses paramétriques et de trouver des conditions de fonctionnement adéquates. Un autre modèle masse-ressort-amortisseur a été réalisé pour estimer les grandeurs du contact. Un modèle aux éléments finis du banc complet a été développé pour accéder à la pression de contact entre le tube et son support. Ensuite, la réalisation de tests expérimentaux d’usure et l’analyse post-mortem des échantillons ont permis de valider les résultats numériques obtenus. Les résultats de cee étude montrent le rôle de la fréquence d’excitation du système impactant pour obtenir des essais avec des caractéristiques des impacts (position, vitesse, angle et fréquence) égales et répétables entre plusieurs essais. Notamment, des impacts avec ces caractéristiques sont possibles si la fréquence d’excitation est au-delà de celle du premier mode de vibration du système impactant. De plus, dans ces conditions testées, l’eet de l’écrasement du fluide résulte négligeable sur les caractéristiques des impacts. Par conséquent, des essais similaires peuvent être réalisés en air et en eau. Concernant l’estimation des grandeurs de contact à partir des mesures, les analyses montrent un degré de cohérence variable selon les conditions d’impact. La raison est que les systèmes mécaniques sur lesquels ces mesures sont faites présentent des modes de vibrations avec des périodes du même ordre de grandeur que les périodes des contacts. En général, le plus les forces d’impact sont élevées, majeure est la vibration de ces systèmes et donc mineure est la cohérence de la mesure par rapport à la réelle dynamique du contact. Par rapport au système mécanique pour mesurer le déplacement, il est fort probable que sa dynamique pendant le contact pilote le temps de contact. Concernant les régimes de frottement (adhérence, glissement) à partir des mesures de force, leur interprétaon devient encore plus complexe en milieu aqueux.

Modèle poro-élastique multi-échelle du système tige/fémur pour fabrication additive d'une tige fémorale personnalisable à gradient de propriétés mécaniques

Doctorant : Emmanuel THOULON

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique
 

L'arthroplastie totale de la hanche (THA) est en un remplacement complet de l'articulation de la hanche par un implant. Il s'agit du seul traitement disponible pour de nombreuses pathologies de la hanche liées à l'âge. La durée de vie de la prothèse est limitée, nécessitant souvent une nouvelle intervention au bout de plusieurs années. L'augmentation de l'espérance de vie et la baisse de l'âge de première implantation contribuent à l'accroissement du nombre de patients concernés. Le prolongement de la durée de vie des prothèses de hanche constitue un enjeu à la fois économique et sociétal. La principale cause de réintervention est le descellement aseptique, caractérisé par une résorption osseuse à l'interface os­ implant. Cela entraîne une instabilité de l'implant et est attribué au « bouclier de contrainte » (stress shielding), qui résulte de la différence de raideur entre le titane et l'os. Cela réduit la transmission des contraintes dans l'os et favorise la résorption osseuse liée au désusage. Dans un contexte médical plus large, où les solutions personnalisées sont privilégiées, cette thèse explore le concept de tige fémorale mécano-biofidèle, c'est-à-dire une tige imitant la géométrie et les propriétés mécaniques de l'os naturel. Alors que l'aspect géométrique a déjà été étudié par Braileanu (2020), ce travail se concentre sur la détermination de propriétés mécaniques optimales pour adapter l'implant à chaque patient. Il s'appuie sur les travaux antérieurs de Perrin (2018) et de Coftigniez (2021), qui portaient respectivement sur une modélisation poroélastique de l'os et sur la fabrication additive de supports en titane destinés à la croissance osseuse. L'objectif principal est de créer un modèle poroélastique de l'os incluant la simulation de la cicatrisation et du remodelage, puis de confronter ses résultats à ceux obtenus par fabrication additive. La cicatrisation et le remodelage étant deux processus biologiques distincts, aucun modèle numérique ne les simule simultanément. Deux modèles issus de la littérature ont été sélectionnés et implémentés dans un modèle éléments finis simplifié, axisymétrique, du système tige-fémur à l'aide de subroutines UMAT. Grâce à un document externe et à l'utilisation d'un predefine field, les calculs de remodelage reprennent au dernier pas de calcul de cicatrisation, assurant ainsi la continuité entre les deux processus. Une procédure de validation a été appliquée pour vérifier l'insensibilité au maillage, la justesse des calculs de contraintes et le comportement asymptotique de la raideur avec un nombre croissant de cycles. Pour évaluer la précision du modèle, les résultats de la simulation numérique ont été comparés à ceux de trois patientes scannées respectivement 5 mois, 4 ans et 12 ans après l'implantation. Les résultats préliminaires sont encourageants, avec une même distribution de raideur et des écarts maximaux de 6 %, 24 % et 11 %. Ils mettent en évidence certaines limites, notamment l'approximation géométrique qui réduit la précision dans la zone de la tête fémorale. La surestimation de la raideur dans le modèle de remodelage suggère une sensibilité aux conditions initiales et une possible surestimation inhérente au modèle lui-même. L'utilisation d'images préopératoires offrirait certainement des améliorations pour les futures études. Enfin, une première étude des matériaux a montré que l'introduction de porosité dans le titane permet de diminuer la raideur, de réduire l'effet de bouclier de contrainte et de favoriser la colonisation cellulaire. Un prototype poreux en titane a pu être fabriqué par stéréolithographie, tandis qu'aucune éprouvette en polymère n'a pu être produite en raison de contraintes dimensionnelles imposées par les techniques disponibles. Des recherches complémentaires sur les procédés de mise en forme des polymères seront donc nécessaires. La prochaine étape de ce travail consistera en une caractérisation mécanique et biologique de l'éprouvette en titane.

Fonctionnalisations chimiques de polysaccharides par la réaction de Passerini pour des applications dans le secteur de l'emballage

Doctorante : Clémence VUILLET

Laboratoire INSA : IMP (Ingénierie des Matériaux Polymères)

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans un contexte global de transition écologique, et de réglementation renforcée contre les plastiques à usage unique, le développement de matériaux d'emballage à base de polysaccharides, suscite un intérêt croissant. Toutefois, l'hydrophilie de ces polymères naturels limite leurs performances barrières vis-à-vis de l'eau. Ce projet de thèse, qui s'inscrit dans un projet ANR (MODERATO) vise la synthèse de nouvelles familles de polysaccharides modifiés par la réaction de Passerini à 3 composants, en vue d'être utilisées comme revêtements biosourcés fonctionnels conférant à des substrats papier de bonnes propriétés barrières, maintenues sous des variations d'humidité et de température, pour l'emballage alimentaire. La réaction de Passerini permet de lier chimiquement 3 précurseurs (acide carboxylique, aldéhyde, isonitrile) en conditions aqueuses monotopes sans catalyseur, ni agent de couplage. Pour répondre aux objectifs visés, cette réaction a été appliquée à la carboxyméthylcellulose (CMC) et à l'alginate (ALG) pour générer des nouveaux dérivés de CMC et d'ALG doublement hydrophobisés, d'une part, et des dérivés à la fois hydrophobisés et porteurs de PEG-co-PPG thermosensible (caractère à LCST dans l'eau), d'autre part. Une large gamme de dérivés de DS variés, atteignant 0,50 (70% de conversion des acides carboxyliques) a été synthétisée. Les propriétés de mouillabilité des dérivés hydrophobisés, sous la forme de films minces, ont été analysées, en lien avec leur composition structurale. L'adsorption de ces dérivés sur différents types de substrat a été évaluée par des expériences de QCM-D qui ont montré que la fonctionnarisation Passerini mène à une augmentation des masses de polymère déposées. La caractérisation sous augmentation de la T°, des dérivés de CMC et d'ALG hydrophobisés et porteurs de segments à LCST, a mis en évidence la formation de gels physiques dans l'eau, et ce caractère thermosensible est conservé à l'état de films minces (prouvé par mouillabilité et QCM-D). De plus, des analyses par DVS et des mesures de la perméabilité à la vapeur d'eau ont montré que la double fonctionnalisation hydrophobe permet d'améliorer de façon significative les propriétés barrières à l'eau des dérivés sous la forme de films libres. Ce gain en termes d'effet barrière à la vapeur d'eau, couplé à de bonnes propriétés barrières aux graisses et à l'air ont également été démontré pour des papiers Kraft enduits des polysaccharides doublement hydrophobisés. Ces résultats ouvrent des perspectives attrayantes pour le développement d'emballages adaptés à des applications alimentaires.

Rôle de la rhéologie et de la physicochimie de l'interface dans la réponse tribologique et dynamique des systèmes frottants en composites C/C

Doctorant : Simone CIPRARI

Laboratoire INSA : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Les matériaux composites carbone/carbone (C/C) sont utilisés dans de nombreuses applications de freinage haute performance, telles que le freinage aéronautique, dans lesquelles la légèreté et la résistance thermique représentent des exigences cruciales. En raison de l'intérêt croissant pour cette classe de matériaux, un grand nombre de travaux de recherche ont étudié leur réponse tribologique. Un comportement complexe, caractérisé par l'existence de différents régimes de frottement en fonction des principaux paramètres de contact (température, pression, vitesse de glissement, etc.), a été mis en évidence. Malgré la quantité de travaux consacrés à ce sujet, seuls quelques groupes de recherche ont étudié la relation entre la réponse en frottement des matériaux C/C et l'apparition de vibrations instables induites par le frottement (FIV) du système mécanique, soulignant un rôle fondamental joué par la rhéologie de l'interface sur les comportements de frottement conduisant à l'apparition d'instabilités dynamiques au contact. Dans ce cadre, cette thèse étudie le rôle du troisième corps (c'est-à-dire la couche d'interface formée par les particules d'usure et externes) sur la réponse tribologique et dynamique des systèmes de friction C/C. À cette fin, une nouvelle méthode expérimentale d'évaluation du rôle rhéologique du troisième corps est développée, en adoptant une approche indirecte. La technique de nettoyage par ultrasons est appliquée pour retirer la couche de troisième corps d'un contact C/C, ce qui permet d'effectuer des tests sur les mêmes échantillons en présence et en absence de la couche d'interface. La comparaison entre les comportements mesurés met en évidence un rôle prédominant du troisième corps dans le contrôle de la réponse globale en frottement du système, en particulier dans des conditions de température élevée. La réintroduction dans le contact d'un troisième corps externe est également étudiée, en utilisant les échantillons nettoyés, obtenus après des conditions de freinage réelles et après l'élimination de leur troisième corps naturel, en tant que substrats. La validation de cette procédure ouvre la voie à l'essai d'échantillons de troisième corps introduits artificiellement. Des observations MEB complémentaires ont été effectuées pour caractériser la couche de troisième corps observée sur les surfaces de frottement des matériaux C/C conditionnés pendant la vie en service. Des familles morphologiques du troisième corps en accord avec la littérature existante ont été identifiées, et un accent particulier a été mis sur les contaminants hétérogènes observés dans le troisième corps carboné. Ces observations ont conduit au développement des spécimens artificiels du troisième corps, destinés à reproduire le mieux possible la morphologie du troisième corps naturel, en contrôlant la présence et la morphologie des contaminants hétérogènes. À l'aide de cette méthodologie, le rôle du troisième corps et de ses caractéristiques, telles que la morphologie et la composition chimique, sur la réponse frictionnelle et dynamique du contact C/C a été analysé. L'effet de certains contaminants du troisième corps est étudié, révélant une forte sensibilité de la réponse de frottement C/C sur la nature du contaminant, même en présence d'une faible fraction d'éléments hétérogènes dans la couche de troisième corps. Chaque type de contaminant est caractérisé en termes d'effet sur les valeurs moyennes de frottement et sur la relation coefficient de frottement - vitesse, deux aspects fondamentaux pour évaluer leur impact sur l'apparition de vibrations instables induites par le frottement. Des scénarios rhéologiques sont ensuite proposés pour expliquer la réponse tribologique mesurée, en clarifiant les comportements de frottement qui conduisent à l'apparition d'une réponse dynamique instable du système.

 

Hybridation de modèles pour une prise de décision fiable

Doctorante : Sophie GUILLAUME

Laboratoire : REVERSAAL - REduire Réutiliser Valoriser Les Ressources Des Eaux Résiduaires

École doctorale : ED 206 Chimie de Lyon

Dans le contexte du changement global, les villes s'orientent vers des pratiques plus durables et résilientes en matière d'eau. Les solutions fondées sur la nature contribuent aux approches de gestion intégrée de l'eau en gérant localement les volumes d'eau et en traitant la pollution, tout en préservant la biodiversité et en soutenant la dynamique socio-économique dans le paysage urbain à un coût raisonnable. Ces solutions fleurissent dans le monde entier sous de multiples terminologies et manquent de lignes directrices pour leur mise en œuvre. Ce défi est relevé par le projet MULTISOURCE, dans le cadre duquel cette thèse vise l'aspect technique du pré-dimensionnement des unités technologiques développées pour le traitement des eaux usées. En particulier, les filtres plantés sont confrontés à un manque de compréhension de la relation entre leur conception et les méchanismes de traitement impliqués, ainsi qu'à un manque de données comparables sur ces systèmes. Les modèles de conception actuels sont simples et conservateurs, tandis que les modèles basés sur des données ne sont pas fiables. Cette thèse propose, dans un premier temps, le développement d'une ontologie afin de clarifier les ambiguïtés terminologiques, d'unifier les connaissances sur les filtres plantés et de mieux identifier leurs principales caractéristiques en termes d'élimination des polluants. La deuxième étape de ce travail propose d'homogénéiser les contrôles de qualité des données grâce à une méthodologie de validation des données avec une évaluation quantitative de la qualité des observations. Dans un troisième temps, deux méthodologies d'hybridation des modèles mécanistes et des modèles basés sur les données sont développées pour fournir des estimations de conception basées à la fois sur les connaissances et les données. Enfin, cette méthodologie est appliquée à l'ensemble des données validées, et des méthodes d'optimisation de la conception sont mises au point pour tenir compte de l'incertitude inhérente à la prise de décision.

The INSA Group, a collective of seven renowned engineering schools across France, invites motivated postdoctoral researchers to apply for the 2025 edition of the Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) Postdoctoral Fellowships, under the European Commission’s Horizon Europe programme.

As a host institution, the INSA Group offers a high-level research environment across a broad range of disciplines, from fundamental research to applied innovation, in close collaboration with industrial partners. Joining an INSA institution means benefiting from recognised scientific supervision and tailored support in preparing your project proposal.

Eligibility
Open to researchers of any nationality holding a PhD (with no more than 8 years of full-time research experience) who meet the MSCA mobility criteria.

Timeline

• Application to the INSA Group: until 10 June 2025
• Official submission to the European Commission: 10 September 2025
• Project start date: from April 2026

 

Learn more and apply: https://www.groupe-insa.fr/marie-sklodowska-curie-actions-postdoctoral-fellowships-2025

Vieillissement et mécanismes de dégradation de microbilles de zircone lors du procédé de broyage en voie humide

Doctorant : Arthur PACQUELET

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

La technique de broyage en voie humide au moyen d'un broyeur à billes agité permet de réduire et de contrôler la granulométrie de particules solides en suspension jusqu'à quelques centaines à quelques dizaines de nanomètres. Ce procédé repose sur la circulation d'une suspension à broyer dans une chambre de broyage, remplie de billes de broyage. Ces billes sont mises en mouvement par la rotation d'un arbre d'agitation, ce qui leur confère une certaine énergie cinétique. Les chocs engendrés par les collisions bille-particule-bille et bille-particule-paroi de la chambre entraînent la réduction de taille des particules et modifient leur distribution granulométrique. Néanmoins, ces chocs énergiques répétés entre les billes usent ces dernières, créant une pollution du produit à broyer ainsi qu'un coût supplémentaire pour l'utilisateur. Cette étude porte sur les mécanismes d'usure et de vieillissement de billes de broyage en zircone yttriée lors du procédé de broyage en voie humide. L'objectif des travaux réalisés était d'analyser de manière systématique l'effet de différents paramètres influant sur la dégradation des billes lors de leur usage en tests de broyage applicatifs et d'améliorer la compréhension des processus de dégradation des billes. Des études à différentes échelles ont été menées : à l'échelle du broyeur (effet de la vitesse de broyage, effet de l'usure de l'arbre de rotation, effet du revêtement de la chambre), à l'échelle du matériau de la bille (taux d'yttrium, structure cristalline et caractéristiques de surface) et à l'échelle de la suspension à broyer (effet du pH et de la température). L'étude de la dégradation des billes de broyage au moyen de diverses méthodes expérimentales (diffraction des rayons X, microscopie Raman, microscopie à force atomique, microscopie électronique à balayage et en transmission) a mis en lumière un mécanisme d'arrachement de grains lié à une dégradation subsurfacique des billes lors des impacts, ainsi qu'un changement de régime d'usure à partir d'une certaine vitesse de broyage. Un second axe d'étude, lié à la sensibilité des billes Y-TZP au vieillissement lorsqu'elles sont exposées à un milieu humide selon la température, a été mené au moyen de tests accélérés. Le vieillissement des billes en Y-TZP a ainsi été caractérisé à différents niveaux de pH et dans différents milieux (ammoniaque, acide nitrique et soude). Cette démarche nous a permis de mettre en évidence le rôle peu significatif de ce phénomène sur l'usure des billes de broyage. Une attention particulière a également été portée sur l'effet de la transformabilité des zircones Y-TZP (avec 2, 3 ou 4 mol.% en Y2O3) sur la dégradation des billes pendant le procédé de broyage en voie humide.

Empreintes sociétales et performances mécaniques dans les alliages multi-élémentaires

Doctorant : Théo LANGLOIS

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 ML - Matériaux

Dans le contexte actuel de transition écologique, motivé par les préoccupations liées à la pollution, au réchauffement climatique et à la consommation des ressources non renouvelables, il est urgent de se tourner vers des sources d'énergie et des matériaux plus verts. Les métaux ont un rôle central dans cette transition écologique. Au cours des prochaines décennies, la demande en lithium, nickel et autres métaux stratégiques devrait augmenter de manière drastique. Les alliages à entropie moyenne (MEA) et à haute entropie (HEA), composés de plusieurs métaux en proportions approximativement égales, représentent des alternatives prometteuses aux alliages conventionnels. Certains HEA se distinguent par leurs excellentes propriétés mécaniques, résistance à la corrosion et stabilité des propriétés malgré les variations de composition, ouvrant une voie pour réduire la dépendance aux matériaux critiques. Parmi les HEA offrant une excellente performance en tenacité figurent l'alliage de Cantor (CoCrFeMnNi) et le ternaire CrCoNi, avec une amélioration des propriétés mécaniques à températures cryogéniques. Parmi les applications industrielles potentielles des HEA, le stockage et le transport de l'hydrogène offrent un support pour l'adoption de l'hydrogène comme source d'énergie plus verte dans la transition écologique. Cependant, l'utilisation du cobalt dans de nombreux HEA suscite des préoccupations en terme d'impacts environnementaux, économiques et sociaux. Ce travail vise à développer de nouveaux MEA axés sur la durabilité tout en maintenant leurs performances mécaniques. Nous étudions de nouvelles compositions autour de la base CrCoNi avec faible teneur en cobalt. Nous démontrons que l'ajout de silicium à nos nouvelles compositions réduit drastiquement l'impact durable de nos matériaux tout en maintenant des performances mécaniques exceptionnelles. Une méthodologie pour développer de nouvelles compositions de HEA a été développée. Nous avons développé un processus d'alliage rapide permettant une prédiction, une fabrication, une caractérisation microstructurale et mécanique à grande échelle et rapide d'un large éventail de HEA. Nous appelons ce processus « Fast Alloying » (FA). Cette méthode comprend l'utilisation de modèles de prédiction, suivie par fabrication de multiples compositions d'alliages (jusqu'à 30 par jour) par four à arc, traitements thermiques et techniques de caractérisation microstructurale (diffraction à rayons X, analyses chimiques et microscopie électronique à balayage). De plus, des essais mécaniques rapides en dureté et en compression sont effectués. Une méthode plus avancée implique la fabrication de quatre compositions prometteuses par four à arc, des traitements thermomécaniques (homogénéisation, laminage à froid et recuit), une analyse microstructurale (XRD, GDOES, EDS, EBSD) et des essais mécaniques (dureté, plastométrie, essais de traction à température ambiante et cryogénique). Nos résultats démontrent la possibilité de développer des alliages performants et durables, en réduisant la dépendance aux éléments critiques tels que le cobalt et en optimisant les compositions des alliages grâce aux modèles de prédictions.

Robocasting de ciment de phosphate de calcium bifasique renforcé par du graphène pour l'ingénierie des tissus osseux

Doctorante : Stephanie GROSSI ROEDEL

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : ML - Matériaux de Lyon

La bioingénierie a considérablement bénéficié des techniques de fabrication additive, offrant des solutions hautement personnalisées pour accélérer la récupération des patients. En génie tissulaire osseux, ces techniques permettent la production de structures et d'implants personnalisés avec des géométries complexes adaptées aux besoins spécifiques de chaque patient. Parmi ces méthodes, le robocasting se distingue par la fabrication de biocéramiques pour les applications osseuses, en utilisant l'extrusion de suspensions céramiques concentrées pour construire les pièces couche par couche. Cette méthode permet l'utilisation d'«encres» enrichies d'additifs qui améliorent à la fois la résistance mécanique et les fonctionnalités biologiques de la pièce finale, favorisant ainsi l'interaction avec le corps. Les phosphates de calcium (CaP) présentent d'importants avantages par rapport à d'autres biomatériaux en raison de leur similarité avec la phase minérale des os, permettant une intégration naturelle sans provoquer de réponses inflammatoires, et étant progressivement absorbés pendant le processus de régénération osseuse. Cela élimine le besoin d'opérations supplémentaires pour retirer les implants. Parmi les différentes formes de phosphate de calcium, les ciments de phosphate de calcium biphasique (BCPC) sont particulièrement avantageux, car ils combinent l'hydroxyapatite (HA), qui fournit un soutien structurel, et le 13-tricalcium phosphate (13- TCP), qui est résorbable et favorise la régénération osseuse. Cette combinaison permet l'absorption progressive du 13-TCP tout en maintenant une intégrité structurelle de l'HA, rendant le BCPC idéal pour les applications de guérison osseuse à long terme. Les ciments phosphocalciques (CPC) se distinguent par leur consolidation à des températures proches de l'ambiante par des réactions de prise, éliminant ainsi le besoin de frittage, ce qui facilite l'incorporation de substances bioactives et thermosensibles, essentielles pour accélérer la régénération. Les nanoplaquettes de graphène (GNP) sont des exemples d'additifs qui peuvent fournir à la fois des améliorations mécaniques et des fonctionnalités biologiques lorsqu'elles sont combinées avec des phosphates de calcium. Les ciments à base de CaP peuvent être mis en forme par robocasting, à condition que leurs propriétés rhéologiques soient optimisées pour garantir la formation de filaments homogènes qui s'écoulent lors de l'extrusion mais conservent leur forme immédiatement après le dépôt, permettant d'obtenir des pièces structurellement solides avec une faible concentration de défauts. Ce travail se concentre sur le développement et l'étude de structures imprimées en 3D à l'aide de la technique de robocasting à basse température, avec des ciments de phosphate de calcium biphasique renforcés de nanoplaquettes de graphène. L'objectif est d'améliorer les propriétés mécaniques et le potentiel biologique du produit final. L'étude a analysé les aspects rhéologiques des pâtes viscoélastiques, l'imprimabilité des pâtes avec et sans graphène, la résistance mécanique des pièces imprimées par des tests de flexion à trois points, ainsi que des évaluations biologiques concernant la cytotoxicité et l'activité métabolique associées aux pièces imprimées.