Adapter les propriétés de la poudre de phosphate de calcium à la fabrication additive

Tailoring calcium phosphate powder properties for additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Pedro Navarrete-Segado
• Direction : Christine Frances, David Grossin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne Leriche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Frances, David Grossin, Anne Leriche, Liam Grover, Rodrigo Moreno, Mallorie Tourbin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Champion, Khashayar Saleh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomisation

Photopolymérisation

Hydroxyapatite

Mots clés libres

Hydroxyapatite

Fabrication additive

Fusion sur lit de poudre

Photopolymerisation

Broyage

Atomisation

Hydroxyapatite

Additive manufacturing

Powder bed fusion

Photopolymerization

Milling

Spray-drying

Résumé

Les céramiques de phosphates de calcium (hydroxyapatite stoechiométrique (HA), -TCP, phosphates de calcium substitués et composés biphasiques) sont des biomatériaux privilégiés comme implants orthopédiques ou pour réaliser des restaurations dentaires dans des applications médicales ou esthétiques. En association avec les technologies de fabrication additive (FA), les pièces biocéramiques peuvent être conçues avec des formes complexes tout en ayant une meilleure biocompatibilité et bioactivité que les métaux améliorant l'ostéointégration/ostéoincorporation de l'implant. La fusion sur lit de poudre (FLP) et la photopolymérisation (VAT) sont des familles de techniques de fabrication additive prometteuses permettant la production de pièces complexes fonctionnelles sous forme de réseaux poreux ou entièrement denses. Cependant, un défi est de produire une poudre céramique ayant des propriétés spécifiques pour ces techniques d'impression 3D. Dans ce contexte, l'enjeu dans cette thèse est l'évaluation des caractéristiques de la matière première adaptée à chaque technique de fabrication additive. HA a été choisie comme matériau de départ pour la production de pièces pour la régénération du tissu osseux. En fonction de la technique de fabrication additive utilisée, différents procédés peuvent être nécessaires pour l'optimisation des propriétés de la matière première à imprimer. Dans le cas des techniques FLP, de meilleurs résultats sont obtenus lors de l'utilisation d’une poudre constituée de microsphères réactives au laser et présentant de bonnes propriétés d’écoulement. Dans cette thèse l’optimisation de la morphologie des particules de HA a été étudiée grâce à une combinaison de procédés tels que la synthèse, le broyage en voie humide, le séchage par atomisation et le mélange de la poudre avec des additifs d'absorption. Pour les technologies de FA telles que la photopolymérisation VAT, des caractéristiques différentes sont requises pour la matière première. Dans ce cas, il est essentiel de produire des suspensions composées de résines photosensibles chargées de poudre d’HA, stables et de faible viscosité. Leur préparation a été réalisée par une étape de broyage de la poudre suivi d’une bonne homogénéisation des différents composants (photoinitiateur, monomère, et diluant). Dans le cadre de cette thèse, la compréhension des relations entre les propriétés de la poudre et les paramètres des procédés sont d'une grande importance. Une large gamme de techniques de caractérisation des poudres et des suspensions a été utilisée pour évaluer l'effet de la formulation et des paramètres opératoires sur les propriétés du produit final à chaque étape. Ces techniques ont permis l'analyse de la composition chimique et de la structure des composés, ainsi que la détermination des propriétés physiques des particules dispersées dans un liquide ou à l'état sec (morphologie, coulabilité, stabilité, et rhéologie des suspensions). Enfin, l'adéquation de la poudre produite a été évaluée directement par des expériences réalisées avec les technologies de FA, et la qualité des pièces imprimées a été analysée en termes de densité relative, de porosité et de propriétés mécaniques.

Calcium phosphates ceramics (stoichiometric hydroxyapatite (HA), -TCP, substituted calcium phosphates, and biphasic compounds) are privileged biomaterials as orthopaedic implants or dental restorations in medical or aesthetics applications. In combination with additive manufacturing technologies, bioceramic parts can be designed with complex shapes with better biocompatibility and bioactivity than metals improving the osseointegration/osseoincorporation of the implant. Powder bed fusion (PBF) and VAT photopolymerization are promising additive manufacturing (AM) groups of techniques allowing the production of functional complex net- shaped or fully dense parts. However, specific tailored ceramic powders for these 3D printing techniques need to be produced. In this context, the challenge here is the evaluation of the characteristics of a suitable feedstock depending of the additive manufacturing technique. HA was chosen as starting material for the production of scaffolds for bone tissue regeneration. In the course of tailoring the AM feedstock properties, depending on the additive manufacturing technique different processes can be necessary. In the case of the PBF techniques, the processability of the powder feedstock is better achieved when using laser-reactive and flowable dry microspheres. In this regard, this thesis deals with the tailoring of the HA particles morphology through a combination of processes such as, synthesis, wet milling, spray drying, and mixing of the powder with absorption additives. For a second AM group of technologies, like VAT photopolymerization, different characteristics are required for the material feedstock. In this case, the production of slurries composed of stable and low viscosity HA powder-filled photosensitive resins was essential. Their preparation was achieved by a milling step of the powder and a proper homogenization of the different components (photoinitiator, monomers, and diluent). Thus, as part of this PhD work the understanding of the relationships between the powder properties and the processing parameters was of special importance. For this reason, a wide variety of powder and suspension characterization methods was employed to assess the effect of the formulation and the operating parameters on the final product properties. It included the analysis of the chemical composition and structure of the compounds, as well as the physical properties of the particles dispersed in a liquid or in a dry state (morphology, flowability, stability, and rheology of suspensions). Finally, the suitability of the feedstock produced was examined through direct testing on the AM technologies and the quality of the printed parts was evaluated in terms of relative density, porosity, and mechanical properties.