Frittage sélectif par laser de biocomposites UHWMPE/HA pour l'ingénierie du tissu osseux

Selective laser sintering of UHMWPE and spray-dried HA for bone tissue applications

• Auteur / Autrice : Henrique Schappo
• Direction : Chantal Damia, Dachamir Hotza
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 18/10/2021
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec Universidade federal de Santa Catarina (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Rossignol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chantal Damia, Dachamir Hotza, Cynthia Wirth, Bruno Alexandre Pacheco de Castro Henriques
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Grossin, Wilson Acchar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tissu osseux

Frittage (métallurgie)

Hydroxyapatite

Mots clés libres

Hydroxyapatite

UHMWPE

Frittage sélectif par laser

Ingénierie du tissu osseux

Hydroxyapatite

UHMWPE

Selective laser sintering

Bone tissue engineering

Résumé

Ce travail porte sur l’étude par la fabrication additive de pièces 3D de biomatériaux composites pour des applications en ingénierie du tissu osseux. Les pièces ont été élaborées par frittage sélectif par laser (SLS pour Selective Laser Sintering) avec une matrice en polyéthylène à haut poids moléculaire (UHMWPE pour Ultra High Molecular Weight Polyethylene) commercial et une charge céramique en hydroxyapatite (HA) synthétisée au laboratoire. Une étude étape par étape a été conduite afin de produire par séchage par atomisation (SD) des particules d’HA ayant les caractéristiques morphologiques requises par le procédé SLS. Il a été montré que la pression d'atomisation avait une influence majeure sur la taille des particules : plus la pression est élevée, plus le diamètre moyen des particules est petit. Une fonction de désirabilité a été utilisée pour déterminer les paramètres de traitement SD optimaux. Ainsi, tout en prenant en compte l'efficacité du traitement, il a été possible de produire une poudre de SDHA avec un diamètre moyen de 15 à 25 µm. La poudre de SDHA a ensuite été mélangée à hauteur de 5 et 10 % en masse au UHMWPE tamisé et plusieurs paramètres de procédé SLS ont été étudiés. Les caractéristiques du mélange de poudres ont été déterminées et les caractéristiques dimensionnelles et mécaniques des échantillons ont été mesurées. Des essais préliminaires de cultures cellulaires in vitro ont également été conduits. Il a été montré qu’en fonction de la combinaison des paramètres SLS un effet de gauchissement et une variation dimensionnelle pouvaient avoir lieu, mais l'ajout de la charge céramique à la poudre UHMWPE favorise la processabilité par SLS et la réponse biologique. Cependant, une quantité trop importante de SDHA (10 %) réduit les propriétés mécaniques des pièces, par conséquemment un compromis doit être trouvé.

In this work, an investigation on the manufacturing of 3D parts using composite biomaterials, additive manufacturing and targeting bone tissue applications is presented. The employed manufacturing process was selective laser sintering (SLS) and the feedstock powder was commercial UHMWPE and self-synthesized hydroxyapatite (HA). First, a step-by-step approach to use spray drying (SD) for obtaining HA particles with suitable morphological characteristics for SLS processing was employed. Varying processing parameters it was possible to produced SDHA particles the within mean diameter range of 15 to 25 μm. A major influence of atomization pressure variation was identified, a greater pressure value resulted in smaller particle size. Desirability function was employed to determine the optimal SD processing parameters and the selected parameters have considered the processing efficiency. The SDHA powder was mixed, at 5 and 10% weight content, with sieved UHMWPE and several SLS processing parameters were evaluated. Powder characteristics were assessed, samples’ dimensional and mechanical properties were measured, likewise, preliminary in vitro essays were conducted. Warping effect and dimensional variation were observed with the employed parameters combination. Results indicated that the addition of SDHA particles have favoured the processability and biological response, nevertheless, a greater amount of SDHA has hindered samples’ mechanical properties so a compromise must be found.