Synthèse et études de réactivité de verres bioactifs : contribution à la préparation de structures 3D par fabrication additive

Synthesis and reactivity studies of bioactive glasses : contribution to the preparation of 3D structures by additive manufacturing

• Auteur / Autrice : Théodore Berthelot
• Direction : Anita Lucas, Ronan Lebullenger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Président / Présidente : Pierre Weiss
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anita Lucas, Ronan Lebullenger, Jonathan Massera
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Leriche, Jean-Christophe Fricain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioimpression

Os -- Régénération (biologie)

Bioverres

Mots clés libres

Verres bioactifs

Impression 3D

Biomatériaux

Scaffolds

Fabrication additive

Régénération osseuse

Bioactive glasses

3D printing

Biomaterials

Scaffolds

Additive manufacturing

Bone regeneration

Résumé

Les biomatériaux sont de plus en plus utilisés, car ils offrent une alternative fiable aux greffes osseuses. Parmi ces matériaux, les biomatériaux bioactifs, capables d'interagir avec le tissu osseux et de stimuler sa régénération, sont particulièrement prometteurs, notamment le verre bioactif. La fabrication additive, ouvre de nouvelles perspectives pour la création de substituts osseux sur-mesure. Cette technologie permet aux praticiens de concevoir des implants adaptés à la morphologie de chaque patient. La fabrication de tels composites repose sur une approche multidisciplinaire. Lors de ce travail de thèse, la première étape consistait à synthétiser un verre mésoporeux (92S6 P123) et à l’associer à l’acide polylactique (PLA) pour obtenir un composite PL90 (90 % PLA, 10 % 92S6 P123). Les scaffolds imprimés en utilisant le procédé de dépôt de filament fondu (FFF) ont été optimisés en termes de design (motifs grille et gyroïde) et de porosité. Les analyses ont montré que le motif gyroïde, avec une porosité de 50 %, offrait de meilleures propriétés mécaniques et de dégradation. Les tests biologiques in vitro ont montré l'absence de cytotoxicité pour les scaffolds PL90, et les essais in vivo réalisés sur des modèles porcins ont révélé une intégration osseuse prometteuse du PL90 par rapport aux matériaux standards. Dans le cadre d'une collaboration internationale, des essais ont été réalisés en Finlande pour combiner le 92S6 P123 avec un verre boro silico-phosphaté (X10) et un liant (Pluronic® F-127) pour l’impression de scaffolds. Des essais de bioactivité ont révélé une formation d’hydroxyapatite. Ces recherches ont aussi permis de renforcer une collaboration internationale et d'ouvrir des perspectives d'amélioration, notamment par l’évaluation de nouvelles compositions à base de 92S6 P123 et X10.

Biomaterials are being used more and more, offering a reliable alternative to bone grafts. Among these materials, bioactive biomaterials, capable of interacting with bone tissue and stimulating its regeneration, are particularly promising, especially bioactive glass. Additive manufacturing opens up new prospects for the creation of customised bone substitutes. This technology enables practitioners to design implants tailored to the morphology of each patient. The manufacture of such composites requires a multidisciplinary approach. In this thesis, the first step was to synthesise a mesoporous glass (92S6 P123) and combine it with polylactic acid (PLA) to obtain a PL90 composite (90% PLA, 10% 92S6 P123). The scaffolds printed using the fused filament deposition (FFF) process were optimised in terms of design (grid and gyroid patterns) and porosity. Analyses showed that the gyroid pattern, with a porosity of 50%, offered better mechanical and degradation properties. In vitro bioassays showed the absence of cytotoxicity for PL90 scaffolds, and in vivo testing in porcine models revealed promising bone integration of PL90 compared with standard materials. As part of an international collaboration, trials were carried out in Finland to combine 92S6 P123 with a boro silico-phosphate glass (X10) and a binder (Pluronic® F-127) for printing scaffolds. Bioactivity tests revealed the formation of hydroxyapatite. This research has also enabled us to strengthen an international collaboration and open up prospects for improvement, notably by evaluating new compositions based on 92S6 P123 and X10.