Fabrication directe d'implants osseux biocéramiques sur mesure par le procédé de fusion laser sélective sur lit de poudre : élaboration de la poudre d'hydroxyapatite, fabrication de pièces architecturées et étude de l'interaction rayonnement/matière

par Emmanuelle Shaker (Hermier)

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Yves Bienvenu.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Centre des Matériaux (laboratoire) , Surface, interfaces, procédés (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2011 .


  • Résumé

    La bioactivité d'un substitut de l'os peut être augmentée de différentes façons, notamment en adaptant sa géométrie au défaut osseux du patient et en optimisant son architecture poreuse. La société OsseoMatrix propose de produire des implants en hydroxyapatite (HA) sur mesure, à partir du scanner des patients, par le procédé de fusion laser sélective sur lit de poudre (SLM). Toutefois, la fabrication de pièces céramiques en hydroxyapatite par le procédé SLM est encore peu étudiée, et le verrou principal est leur transparence dans le proche infra-rouge, domaine de longueur d'onde le plus fréquemment utilisé en SLM. Pour lever ce verrou, nous proposons dans cette étude, d'utiliser un agent absorbant. L'enjeu est alors de comprendre l'interaction entre le laser et le lit de poudre d'HA enrichie en absorbant afin de contrôler la qualité des pièces fabriquées. La maîtrise de la chaine de fabrication passe également par la maîtrise des propriétés de la poudre qui doivent répondre aux exigences du procédé SLM et des équipements utilisés. Dans cette optique, le protocole d'élaboration des poudres a été optimisé pour satisfaire le cahier des charges. L'étude de l'effet des paramètres du procédé SLM et du matériau a permis d'évaluer le volume de la zone d'interaction en fonction de l'énergie linéique apportée par le laser et de définir la fenêtre opératoire optimale de construction de la pièce en hydroxyapatite. Des pièces cohésives et denses (70 %) avec une architecture poreuse programmée ont été obtenues, ce qui a permis de valider la faisabilité de l'élaboration de biocéramiques en hydroxyapatite par SLM.

  • Titre traduit

    Fabrication of bioceramics bone implants tailored to the patient by Selective sintering laser.


  • Résumé

    The bioactivity of a bone substitute may be increased in various ways, in particular by adapting the size and shape to the patient's bone defect and optimizing its macro-porous architecture. OsseoMatrix society is developing a new concept of custom made bone implant in hydroxyapatite, manufactured by Selective Laser Melting of powder bed (SLM). These implants are fabricated directly from the scan file of the patient's skull, with the 3D shape desired. However, there are insufficient studies about the manufacture of ceramic parts by the SLM process and the main limitation is its poor absorptivity in the near infra-red wavelength which is the most frequently used in SLM. To overcome this limitation, this study considers the use of an absorbent additive to improve the beam/HA coupling. The aim of this study is to understand and control the phenomenon that occurs during laser/powder interaction to obtain healthy implants. Physicochemical properties of HA powder will directly impact on the quality and biocompatibility of the final bone substitute. For that reason, the most suitable thermal and physical treatments to produce HA powder were defined. The influence of laser and powder parameters on powder bed densification was assessed through a parametric study. It has led to a model that allowed to determine the effect of linear energy on the volume interaction and to define the most suitable parameters to obtain dense parts. Parts with complex shapes, macro-porosity and relative densities up to 70 % have been manufactured, proof that SLM of HA has become possible.