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.

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.

Fabrication additive par frittage de matériaux métalliques biodégradables Mg-Zn pour implants orthopédiques.

Doctorant : Julien MOREAU

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les alliages de magnésium (Mg) apparaissent comme des matériaux prometteurs pour les applications biomédicales en raison de leur biocompatibilité, leur biodégradabilité et leurs propriétés mécaniques favorables. Cependant, leur dégradation rapide dans des environnements aqueux ont freiné leur utilisation à grande échelle. Cette étude explore l’incorporation de zinc (Zn) et de zirconium (Zr) comme éléments d’alliage afin d’améliorer la résistance à la corrosion. L’objectif principal de cette thèse est la conception d’alliages, en utilisant des procédés de fabrication par métallurgie des poudres et des modifications microstructurales grâce à des traitements de vieillissement. Ces modifications ont été suivies par des mesures de dureté et de puissance thermoélectrique, avec pour but ultime d’obtenir un taux de dégradation contrôlé et prévisible dans des environnements physiologiques. Des alliages Mg-Zn-Zr de haute pureté ont été fabriqués par Spark Plasma Sintering (SPS), en accordant une attention particulière aux effets des paramètres de frittage sur la couche d’oxyde native entourant les particules de poudre d’alliage de magnésium. Les propriétés mécaniques des pièces denses obtenues ont été évaluées afin de déterminer les températures optimales de fabrication. Les propriétés des matériaux ont été caractérisées à l’aide de différentes techniques, notamment la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS), la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage (SEM), la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), la micro-indentation, les mesures de polarisation potentiodynamique et les études de dégradation in vitro. Les traitements thermiques des alliages ont favorisé la formation de précipités, qui se sont révélés bénéfiques pour la résistance à la corrosion lorsque leur taille et leur distribution étaient correctement maîtrisées. Un autre aspect essentiel de cette étude concerne l’utilisation de la fabrication additive (AM) pour les alliages de magnésium. Outre la personnalisation qu’elle permet dans le domaine médical, l’AM facilite la création de structures cellulaires avec une porosité contrôlée. Ces structures permettent de moduler les propriétés mécaniques tout en favorisant l’invasion cellulaire, un facteur clé en ingénierie tissulaire. Les pièces ont été produits par robocasting, un procédé d’extrusion couche par couche utilisant une pâte composée de poudre et de liant. Ces structures ont ensuite été déliantées et frittées pour atteindre leurs propriétés finales. Bien que le frittage des alliages de magnésium présente des défis importants, l’utilisation du frittage en phase liquide et d’un creuset en labyrinthe a permis d’atteindre le frittage des pastilles pressées et des pièces imprimés. En résumé, cette thèse présente le développement d’un alliage biodégradable Mg-Zn-Zr conçu pour des applications orthopédiques. Les propriétés mécaniques et de corrosion ont été optimisées grâce à la fabrication de pièces denses par SPS, et une méthode de robocasting pour les alliages de magnésium a été développée, ouvrant la voie à des implants biodégradables imprimés en 3D.

« Identification par radioscopie X et thermographie in-situ du bain de fusion lors de la fabrication additive d'une pièce métallique »

Doctorant : Loïc JEGOU

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les promesses des procédés de fabrication additive de pièces métalliques sont nombreuses : concevoir des géométries complexes, maîtriser les propriétés mécaniques, réduire la quantité de matière première nécessaire... Pourtant, les technologies additives par laser ont encore aujourd'hui bien du mal à s'imposer dans le domaine industriel.
La stabilité du bain de fusion, la zone fondue par le laser où se déroule l’apport de matière, est un élément critique de la maîtrise de ces procédés.
Les travaux de thèse ont porté sur la surveillance du bain de deux façons différentes. D’abord à l’aide d’une caméra RGB pour effectuer des mesures thermiques en surface du bain grâce à la méthode bichromatique. Puis ensuite via la mise en place d’un dispositif expérimental mobile pour effectuer du contrôle par rayons X. L’utilisation d’auto- encoders, un type de réseau de neurones pour l’analyse d’images, a permis d’identifier le bain de fusion sur les radioscopies.
 

Formulation, élaboration et caractérisation de géopolymères poreux pour une application de stockage d'énergie

Doctorante : Camille ZOUDE

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Dans le contexte actuel, marqué par l'importance croissante de la gestion de l'énergie, les systèmes de stockage d'énergie thermochimique se révèlent être prometteurs, notamment ceux combinant un matériau hôte poreux avec des sels hygroscopiques.
Ces systèmes, de haute densité énergétique, reposent sur une réaction renversable : la déshydratation est endothermique et l’hydratation est exothermique. Les géopolymères sont des candidats prometteurs comme matériaux hôtes en raison de leurs propriétés mécaniques, leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût. Toutefois, leur porosité nécessite une optimisation pour l’application visée.
À cet effet, trois approches sont étudiées ici : la fabrication additive (Direct Ink Writing), le moussage chimique, et la combinaison des deux. Ces approches nécessitent un important travail de formulation, notamment par l’ajout d’additifs pour adapter leur rhéologie au processus d’extrusion et pour générer une porosité homogène. Sans modifier la cinétique de prise, leur introduction permet la formation d’une porosité contrôlée, atteignant jusqu’à 71 % par moussage chimique. La combinaison de robocasting et de moussage direct plafonne la porosité totale à 65 %, en raison d’une densification des filaments lors de l’extrusion. Les performances mécaniques des échantillons sont évaluées en fonction de leur porosité et des conditions dans lesquelles ils ont été conservés (humidité et température).
L’introduction du sel dans le géopolymère entraîne la formation de composés, par réaction du sodium avec le sel, nuisant aux propriétés thermiques. Cette formation est limitée grâce à l’ajustement du protocole de fabrication. Les propriétés thermiques des composites, évaluées à l’aide de tests dynamiques sur un banc thermique, montrent la capacité des composites à stocker de l’énergie à la fois par sorption physique et chimique. Cependant, des travaux plus approfondis sont nécessaires pour optimiser la répartition du sel et la distribution des diamètres d’accès aux pores dans les géopolymères.
 

Fabrication additive par stéréolithographie de composites céramiques pour application médicale : Du développement de pâtes spécifiques aux compositions et architectures adaptées

Doctorant : Sylvain FOURNIER

Laboratoire INSA : MATEIS
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les techniques de fabrication additive fondées sur la photopolymérisation sélective de couches successives permettent l’élaboration de pièces céramiques complexes, avec une résolution de quelques dizaines de micromètres. Le procédé de stéréolithographie implique le raclage d’une pâte fortement chargée en particules céramiques, soumise à de grandes contraintes de cisaillement. La photopolymérisation laser entraîne ensuite le durcissement sélectif des parties de la pièce avant l’étalement de la prochaine couche. A la fin du procédé, des traitements thermiques sont appliqués pour supprimer le polymère et consolider l’objet céramique. Cette thèse porte sur l’étude du procédé en vue de son utilisation dans la fabrication d’implants spécifiques, adaptés à chaque cas clinique.
Notre approche associe la caractérisation fine des systèmes « polymère-poudre céramique » afin de diminuer les défauts d’étalement et de polymérisation qui peuvent compromettre les propriétés mécaniques des implants céramiques. Une étude rhéologique comportant des essais de cisaillement continu, oscillatoire et multiaxial nous a permis de rationaliser le comportement des pâtes et de comprendre l’impact de chaque élément de la formulation. L’écoulement du matériau à fort taux de cisaillement est perturbé par la rugosité des particules. La dispersion adéquate des particules permet d’éviter un rhéoépaississement de la pâte. L’ajout d’une vibration lors du raclage permet également de réduire la viscosité. Des mesures du degré de polymérisation par spectroscopie infrarouge ont montré une certaine inhomogénéité due à la fabrication couche par couche, ce qui nécessite un déliantage thermique contrôlé pour limiter la formation de fissures.
Dans un deuxième temps, des poudres composites à base de zircone cériée, présentant une certaine ductilité par transformation de phase, sont utilisées afin de limiter l’impact des défauts d’élaboration. Les composites élaborés présentent une microstructure plus hétérogène que ceux élaborés par pressage, ce qui tend à augmenter leur transformabilité, améliorant finalement la résistance aux défauts d’impression.

La fabrication additive, on ne peut plus s'en passer ! Auparavant cantonnée à l'univers de la recherche et à des fonctions de prototypage, la fabrication additive (ou impression 3D) est devenue un véritable outil de formation et un incontournable de la transformation digitale des entreprises.

Désormais enseignée, entre autres, dans les salles de TP des étudiants ingénieurs, elle fait partie intégrante du secteur industriel qui l'utilise à la fois comme outil pour stimuler l’innovation, mais aussi optimiser la supply chain, concevoir de l'outillage, améliorer l’ergonomie des postes de travail, passer d'une logique de prototypage à une démarche produit...

Comment le secteur industriel s'est emparé de la fabrication additive et pour quels usages ? Comment les acteurs académiques forment-ils leurs étudiants à cette technologie sans cesse évolutive ? Et comment ensemble ils cherchent à répondre aux nouveaux défis de l'impression 3D (écoconception, design génératif, valorisation des déchets…) ?

Deux experts apporteront leurs regards sur ce sujet :

► Christine BILLON-LANFRAY, Responsable Plateforme Technologique Académique & Smartech Pôle S.mart RAO (INSA Lyon)

► Florian BERTHELOT, Co-fondateur F3DF Une table ronde ouverte à toutes et tous, organisée par la Fabrique de l'Innovation, en partenariat avec "Les Soudés", collectif d'experts du prototypage industriel

Inscription en ligne => Regards croisés #1 - Fabrication additive, fabrication addictive