On the potential of Ti-based Bulk Metallic Glasses and Ce-TZP zirconia composites for the development of innovative dental implants

par Aléthéa Liens

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Jérôme Chevalier et de Damien Fabrègue.

Soutenue le 12-12-2019

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Malika Saadaoui.

Le jury était composé de Jérôme Chevalier, Damien Fabrègue, Malika Saadaoui, Thierry Gloriant, Frank Kern, Nicolas Courtois, Corrado Piconi, Susanne Scherrer.

Les rapporteurs étaient Thierry Gloriant, Frank Kern.

  • Titre traduit

    Potentiel de verres métalliques base Titane et d'un composite en zircone cériée pour la réalisation d'implants dentaires innovants


  • Résumé

    Récemment, la réduction de taille des dispositifs implantés est devenue une tendance majeure de l’implantologie dentaire moderne. Cependant, elle nécessite le développement de matériaux présentant de fortes résistances mécaniques. Le titane et ses alliages, matériaux dentaires de référence, semblent avoir atteint un plateau en termes de propriétés mécaniques, ce qui peut limiter leur utilisation pour une telle stratégie. Les alliages métalliques amorphes à base de titane constituent une classe unique de matériaux présentant de fortes limites d’élasticité qui en font des candidats potentiels pour la réalisation de pièces implantables de petit diamètre. Nous assistons aussi à un intérêt croissant pour les implants en céramiques. La couleur blanche de la zircone yttriée (Y-TZP), combinée à sa capacité unique de résistance par transformation de phase en ont fait un matériau de choix pour la réalisation d’implant dentaires plus esthétiques. Cependant, la zircone yttriée peut être sensible à un mécanisme de dégradation à basse température en milieu aqueux, qui a pu susciter certaines inquiétudes. De plus, même si elle est plus résistante que la plupart des autres céramiques, elle reste un matériau élastique-fragile, sans plasticité, et donc sensible à la présence de défauts. Différentes céramiques dopées à l’oxyde de cérium (Ce-TZP) ont été développées au cours des dernières années et certains de ces matériaux ont montré une ténacité considérable et une plasticité de transformation significative comparées aux céramiques conventionnelles. Cette combinaison de propriétés en fait des candidats potentiels pour la réalisation d’implants dentaires esthétiques, comme alternatives crédibles à la 3Y-TZP. Durant ce travail de thèse, le potentiel de ces deux matériaux, pour deux applications différentes a été étudié. La première application concerne la réalisation d’implants dentaires mini-invasifs en remplacement du titane. La seconde application est centrée sur la réalisation de nouveaux implants esthétiques en céramique, plus tenaces et plus fiables, en remplacement de la 3Y-TZP. La première partie de ce travail sera axée sur le verre métallique Ti40Zr10Cu36Pd14. Le potentiel de ce verre métallique pour la fabrication de futurs implants mini-invasifs sera démontré et sa plus-value en termes de résistance à la fatigue comparé aux titanes biomédicaux conventionnels sera mise en évidence. Le rôle des éléments d’alliage tels que l’étain et le silicium sur les propriétés globales de l’alliage, telles que la cytocompatibilité et la résistance à la corrosion, sera également analysé. La deuxième partie de ce travail portera sur un nouveau composite à base de Ce-TZP. La résistance mécanique de ce matériau sera évaluée et comparée à la 3Y-TZP. De plus, sa plasticité de transformation unique et ses conséquences sur le comportement mécanique de ce matériau seront approfondies et décrites à l’aide d’expériences originales.


  • Résumé

    Recently, dental implant downsizing has become one major trend in modern implantology but it requires the development of materials with improved mechanical resistance. Never- theless, titanium and its alloys, the gold standard dental materials, seem to have reached a plateau in terms of mechanical properties, which may limit their use for such strategy. Amorphous titanium-based metallic alloys are a unique class of materials showing high mechanical and fatigue properties, good corrosion resistance and a relatively low Young’s modulus, which thus make them potential candidates for the realization of such-small diameter implantable pieces in substitution to polycrystalline titanium. There is also a growing trend to use ceramic implants in dentistry. In particular, the white color of Yttria-Tetragonal Zirconia Polycrystal (Y-TZP) materials combined with their unique transformation toughening ability have made them materials of choice for the realization of metal-free, aesthetic dental implants. However, ageing of Y-TZP ceramics in aqueous environments may be a concern and even if strongest than many other ceramics, Y-TZPs still remain elastic-fragile with a sensitivity to the presence of defects. Various Ceria-doped based zirconia ceramics have been developed over the past years, in particular during two recent European projects led by MATEIS and Anthogyr. These materials may be highly resistant to flaws with a considerable toughness and an unusual transformation- induced ductility. This unique combination of properties makes them potential candidates for the realization of ceramic dental implants, as an alternative to 3Y-TZP. Within this PhD work, the potential of the two materials for (i) the realization of less invasive implants to replace titanium alloys on one hand, and (ii) aesthetic and more reliable ceramic implants as alternative to 3Y-TZP on the other hand, will be studied. The first part of this work will be focused on Ti40Zr10Cu36Pd14 metallic glass. The potential of this amorphous alloy for future implantable devices fabrication is assessed in terms of ion release in relevant media, corrosion resistance, biocompatibility and fatigue resistance, with a comparison to the benchmark conventional biomedical grade Ti alloys. The role of Sn and Si alloying elements on the overall properties of the alloy will be also analyzed. The second part of this work will deal with a new Ce-TZP based composite. Mechan- ical characterization and fatigue resistance will be evaluated and compared to 3Y-TZP material. Furthermore, the transformation-induced plasticity of this composite will be better understood, thanks to original experiments, in order to validate its reliability and its absence of potential damage under stress. All the results may open new perspectives in the future of dental applications.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 16-06-2022

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication

On the potential of Ti-based Bulk Metallic Glasses and Ce-TZP zirconia composites for the development of innovative dental implants


Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc’INSA. Bibliothèque numérique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.

Consulter en bibliothèque

Cette thèse a donné lieu à une publication

Informations

  • Sous le titre : On the potential of Ti-based Bulk Metallic Glasses and Ce-TZP zirconia composites for the development of innovative dental implants
  • Détails : 1 vol. (xxxiv-553 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.507-553
La version de soutenance de cette thèse existe aussi sous forme papier.

Où se trouve cette thèse\u00a0?

Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.