Conception de structures souples élastiques et applications en biomécanique

Design of soft elastic microstructures and applications in biomechanics

• Auteur / Autrice : Karim Cheikho
• Direction : Jean-François Ganghoffer, Cédric Laurent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 20/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Sophie Bonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Ganghoffer, Cédric Laurent, Vittorio Sansalone, Aline Brunon, Hélène Follet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Vittorio Sansalone, Aline Brunon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédés de fabrication

Solides élastiques

Polymères poreux

Propriétés mécaniques

Substituts osseux

Mots clés libres

Biosubstitut osseux

Matrices poreuses artificielles

Gradient de taille de pore

Transformations conformes

Architecture sur mesure

Propriétés mécaniques sur mesure

Bone biosubstitute

Scaffolds

Pore-Size gradient

Conformal transformations

Custom-Made architecture

On-Demand mechanical properties

Résumé

La sélection d’une matrice poreuse la plus adaptée à la régénération tissulaire pour une application clinique donnée est un défi, qui a motivée de nombreuses études en particulier pour des applications au comblement osseux. Plusieurs propositions ont été proposés au cours de la dernière décennie, y compris des structures avec des gradients de taille de pores dont il a été prouvé qu’elles facilitaient le transport des nutriments de la périphérie au cœur de la matrice poreuse, et encourageaient donc la régénération tissulaire. Le cadre utilisé pour concevoir de telles matrices poreuses à gradients est limité par les possibilités de distribution des pores et l’étendue des propriétés mécaniques qu’il est possible d’atteindre. Dans ce travail, nous avons proposé un cadre de conception pour générer diverses structures de matrices poreuses tridimensionnelles dotées de gradients de taille de pores à partir de transformations appliquées à des cellules unitaires. Nous avons proposé une méthodologie pour générer des matrices poreuses par une répétition multicouche de sections transverses circulaires, ce qui a permis d'obtenir une anisotropie ajustable en fonction de l'application clinique visée. Nous avons identifié les propriétés mécaniques apparentes de différentes configurations de matrices poreuses à l'aide d'une méthode numérique originale, soulignant la polyvalence de la procédure de conception qui permet d’ajuster séparément les propriétés mécaniques longitudinales et transversales des matrices poreuses. Afin d'étudier la capacité des techniques de fabrications additives usuelles à fabriquer les structures proposées, nous avons élaboré des structures poreuses à l'aide de la technique DFF (dépôt de filaments fondus) et SLA (stéréolithographie), et nous avons réalisés des essais mécaniques expérimentaux pour les confronter aux prédictions issues des simulations. Malgré les différences géométriques observées entre la conception initiale et les structures réellement obtenues, les propriétés apparentes des structures issues de la technique SLA concordent avec celles prédites par la méthode de calcul proposée. Des perspectives prometteuses ont été proposées concernant la conception de matrices poreuses auto-adaptables utilisables pour des applications spécifiques, notamment pour le comblement osseux dans un contexte de chirurgie mini-invasive.

The selection of the most-suitable porous bone scaffold for regenerative medicine applied to a given clinical application is challenging, which has motivated numerous studies especially for the repair of bone defects. Several designs have been proposed over the last decade, including structures with pore size gradients that have been proved to facilitate nutrient transport from the periphery to the core of the scaffold, and therefore to enhance tissue regeneration. The framework used to design such porous scaffolds with pore size gradients is limited by the range of the reachable pore distribution and mechanical properties.In this work, we presented a design framework to generate various three-dimensional porous scaffolds structures including cylindrical graded scaffolds from the transformations of unit cells. We proposed a methodology to generate porous scaffolds by multilayer repetition of circular cross sections, resulting in tunable anisotropy depending on the intended clinical application. We identified the apparent mechanical properties of different porous scaffold configurations using an original numerical method, highlighting the versatility of the design procedure that allows for separate tuning of longitudinal and transverse mechanical properties of porous scaffold.In order to investigate the ability of common additive manufacturing techniques to fabricate the proposed structures, we have elaborated scaffolds using FDM (fused deposition modeling) and SLA (stereolithography) techniques, we have performed experimental mechanical tests to be confronted to the predictions issued from simulations. In spite of the geometrical differences observed between the initial design and the obtained structures, the apparent properties of the structures obtained by the SLA technique agree with those predicted by the proposed computational method.Promising perspectives have been proposed concerning the design of self-fitting scaffolds that can be used for clinical applications, particularly to repair bone defects using mini-invasive surgery.