Influence de la rugosité de surfaces Ti-6Al-4V obtenues par fabrication additive SLM sur l'ostéointégration : Évaluation in vitro et in silico

Influence of the roughness of Ti-6Al-4V surfaces obtained by additive manufacturing SLM on osseointegration : in vitro and in silico evaluation

• Auteur / Autrice : Thomas Thenard
• Direction : Rachele Allena, Michel Mesnard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique (AM)
• Date : Soutenance le 15/02/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak - Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Ridha Hambli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachele Allena, Michel Mesnard, Yves Rémond, Guillaume Thomann, Claude Verdier, Nicolas Santier, Anita Catapano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Rémond, Guillaume Thomann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocompatibilité

Thèses et écrits académiques

Prototypage rapide

Mots clés libres

Rugosité

Modèle numérique

Fabrication additive

Biocompatibilité

Roughness

Numerical modeling

Additive manufacturing

Biocompatibility

Résumé

L’ostéointégration définit la connexion entre l’os et l’implant et permet de garantir son bon fonctionnement. Cette connexion osseuse est régie, entre autres, par les propriétés surfaciques de l’implant, qui influencent la réponse cellulaire ainsi que la croissance osseuse. Parmi les différentes propriétés, la rugosité de la surface peut modifier de façon significative différents processus cellulaires (i.e. migration, adhésion, prolifération...) intervenant durant la croissance. La fabrication additive (FA) « Selective Laser Melting » (SLM) est un procédé innovant apportant de nombreux avantages dans le domaine biomédical. Cependant, les pièces obtenues par FA SLM présentent un état de surface très rugueux qui affecte la réponse cellulaire et l’ostéointégration. L’utilisation de ce procédé pour une application biomédicale nécessite donc de comprendre l’effet de la rugosité sur la biocompatibilité. Cette thèse présente une méthodologie expérimentale et numérique permettant d’évaluer l’influence de la rugosité de surfaces obtenues par FA SLM sur le comportement cellulaire. La rugosité et la mouillabilité d’éprouvettes SLM brutes ont été caractérisées par des observations au microscope, au profilomètre et au banc de mouillabilité. De plus, plusieurs traitements de surfaces (i.e. attaque chimique et sablage) ont été appliqués afin de rechercher une amélioration de la biocompatibilité des surfaces. Des tests biologiques de cytocompatibilité ainsi que l’analyse de la morphologie cellulaire ont permis de valider la biocompatibilité des surfaces SLM brutes et des surfaces modifiées. Cependant, les tests n’ont pas permis de mettre en évidence un traitement préférentiel des surfaces qui assure une amélioration significative de la biocompatibilité. Dans un deuxième temps, un modèle numérique discret de migration et prolifération cellulaires a été développé pour quantifier l’influence de la rugosité à l’échelle microscopique sur les activités cellulaires. Les résultats ont montré un rôle important des paramètres topographiques sur la migration ainsi que la prolifération cellulaire.

Osseointegration defines the connection between the bone and the implant and it ensures the proper functioning of the implant. Such a connection is governed, among others, by the surface properties of the implant, which influence the cells response. Surface roughness can significantly modify different cellular processes (i.e. migration, adhesion, proliferation…) occurring during growth. Additive manufacturing (FA) "Selective Laser Melting" (SLM) is an innovative process bringing many advantages in the biomedical field. However, samples obtained by FA SLM exhibit a very rough surface which affects cellular response and osseointegration. Therefore, the use of this process for a biomedical application requires the understanding of the effects of roughness on biocompatibility. This thesis presents an experimental and numerical methodology allowing to evaluate the influence of roughness of surfaces obtained by FA SLM on the cellular behavior. The roughness and the wettability of raw SLM surfaces were characterized by microscopic, profilometer and wettability observations. In addition, several surface treatments (i.e. chemical etching and sandblasting) have been applied in order to seek an improvement in the biocompatibility of the surfaces. Biological cytocompatibility tests as well as analysis of cell morphology have validated the biocompatibility of raw SLM surfaces and modified surfaces. However, the tests did not show a preferential treatment of the surfaces which ensures a significant improvement in biocompatibility. In parallel, a discrete numerical model of cell migration and proliferation has been developed to quantify the influence of roughness at the microscopic scale on cellular activities. The results have shown an important role of topographic parameters on migration as well as cell proliferation.