Élaboration de prothèses dentaires par fabrication additive indirecte combinant stéréolithographie et gel casting

Development of dental prostheses by indirect additive manufacturing combining stereolithography and gel casting

• Auteur / Autrice : Pierre Grimaud
• Direction : Philippe Champagne, Fabrice Petit, Laurent Boilet, Marie Lasgorceix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/01/2024
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de matériaux céramiques et de mathématiques (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Christel Pierlot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Champagne, Fabrice Petit, Laurent Boilet, Marie Lasgorceix, Claire Peyratout, Maurice Gonon, Khashayar Saleh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Peyratout, Maurice Gonon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prothèses dentaires -- Technologie

Matériaux céramiques dentaires

Mots clés libres

Fabrication additive indirecte

Gel casting

Stéréolithographie

Prothèse dentaire

Agarose

Alginate de sodium

Indirect additive manufacturing

Gel casting

Stereolithography

Dental prosthesis

Agarose

Sodium alginate

Résumé

Ce mémoire de thèse découle d’une recherche collaborative initiée en octobre 2020, dont le thème s’articule autour de l’élaboration de pièces céramiques techniques à géométrie complexe par des procédés innovants. Associant les compétences du CERAMATHS de Maubeuge-France et du BCRC de Mons-Belgique, cette thèse appliquée a été co-financée par l’agglomération de Maubeuge-Val-de-Sambre (CAMVS) et le BCRC et s’inscrit dans une démarche d’Éco-conception visant notamment la fabrication de couronnes dentaires en ZrO2. La stratégie établie consiste à associer des techniques additives aux procédés de gel-casting, par moulage de gels polymériques biosourcées minéralisables après traitement thermique conventionnel. Il s’agit de lever des problèmes récurrents propres aux opérations d’usinage de pièces à géométrie complexe (production de déchets, apparition de microfissures …). De nombreux essais et mesures expérimentales sont présentées, ainsi que des calculs de modélisations moléculaires, afin de comprendre les mécanismes chimiques mis en jeu au cours des étapes de transformation et de corréler mesures physico-chimiques et calculs prévisionnels.Le mémoire de thèse s’articule donc en quatre chapitres principaux :Le chapitre II présente les prothèses dentaires d’une manière générale et une description des diverses techniques de fabrication issues de la littérature. Se focalisant principalement sur la confection de pièces céramiques, ce chapitre bibliographique permet de comparer et de classer les procédés entre eux, en précisant les techniques de mise forme additive directe et indirecte, soustractive et formative. Un focus sur le procédé de gel casting permet d’aborder les avantages potentiels d’une voie exploitant un gel chargé en poudres céramiques. En justifiant la démarche expérimentale retenue, cette bibliographie permettra de confronter les difficultés actuelles de mise en œuvre de pièces céramiques complexes avec les exigences du domaine dentaire.Nous verrons dans le chapitre III que l’Agarose est utilisable en tant que matrice polymérique sacrificielle apte à disperser des poudres céramiques avant traitement thermique et densification. Ce chapitre est ainsi consacré à la caractérisation des matières premières, puis à la confection de pièces céramiques combinant une méthode additive (conception de moules) et une méthode Gel Casting exploitant l’Agarose. D’une part, l’agarose en solution y est présentée d’un point de vue préparatoire, comportemental et physico-chimique. D’autre part, la fabrication des moules par stéréolithographie est également décrite. Le chapitre IV précise les stratégies et les travaux entrepris pour modifier les propriétés générales de l’agarose. Divers succinates d’agarose ont été synthétisés et caractérisés expérimentalement dans ce sens. Des résultats sont présentés pour qualifier le comportement rhéologique, avec des interprétations confortées par des calculs de modélisation macromoléculaire. Le chapitre V concerne la mise en œuvre d’une gélification chimiquement activée afin d’exploiter les propriétés de l’alginate de sodium plutôt que celles de l’agarose. Dans ce chapitre, deux voies différentes sont étudiées sur la base de variations stœchiométriques du milieu réactionnel initial, ainsi que des résultats prometteurs de mise en forme.La conclusion générale précise un bilan qualitatif et des perspectives sur notre procédé qui associe des moules obtenus par stéréolithographie et une matrice visqueuse à base de polymères naturels tels que l’agarose et l’alginate de sodium.

This thesis results from collaborative research initiated in October 2020, the theme of which revolves around the development of technical ceramic pieces with complex geometry using innovative processes. Combining the skills of CERAMATHS of Maubeuge-France and the BCRC of Mons-Belgium, this applied thesis was co-financed by the agglomeration of Maubeuge-Val-de-Sambre (CAMVS) and the BCRC and is part of an approach of Eco-design aimed in particular at the manufacture of dental crowns in ZrO2. The established strategy consists of combining additive techniques with gel-casting processes, by molding biosourced polymer gels that can be mineralized after conventional heat treatment. This involves addressing recurring problems specific to machining operations on parts with complex geometry (production of waste, appearance of microcracks, etc.). Numerous tests and experimental measurements are presented, as well as molecular modeling calculations, in order to understand the chemical mechanisms involved during the transformation stages and correlate physicochemical measurements and forecast calculations. The thesis is therefore divided into four main chapters: Chapter II presents dental prostheses in general and a description of the various manufacturing techniques taken from the literature. Focusing mainly on the making of ceramic pieces, this bibliographical chapter allows us to compare and classify the processes between them, specifying the techniques of direct and indirect additive, subtractive and formative shaping. A focus on the gel casting process allows us to address the potential advantages of a route using a gel loaded with ceramic powders. By justifying the experimental approach adopted, this bibliography will make it possible to confront the current difficulties of implementing complex ceramic parts with the requirements of the dental field. We will see in the chapter III that Agarose can be used as a sacrificial polymer matrix capable of dispersing ceramic powders before heat treatment and densification. This chapter is thus devoted to the characterization of raw materials, then to the manufacture of ceramic parts combining an additive method (mold design) and a Gel Casting method using Agarose. On the one hand, agarose in solution is presented from a preparatory, behavioral and physicochemical point of view. Furthermore, the manufacturing of molds by stereolithography is also described. Chapter IV specifies the strategies and work undertaken to modify the general properties of agarose. Various agarose succinates have been synthesized and experimentally characterized in this direction. Results are presented to qualify the rheological behavior, with interpretations supported by macromolecular modeling calculations. Chapter V concerns the implementation work of chemically activated gelation in order to exploit the properties of sodium alginate rather than those of agarose. In this chapter, two different pathways are studied based on stoichiometric variations of the initial reaction medium, as well as promising shaping results. The general conclusion specifies a qualitative assessment and perspectives on our process which combines molds obtained by stereolithography and a viscous matrix based on natural polymers such as agarose and sodium alginate.