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Fabrication, morphologie et propriétés mécaniques des mousses métalliques à base de titane et d'alliages de titane métastables pour des applications biomédicales

Rivard, Jonathan (2014). Fabrication, morphologie et propriétés mécaniques des mousses métalliques à base de titane et d'alliages de titane métastables pour des applications biomédicales. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce travail porte sur le développement de la technologie de fabrication et la caractérisation morphologique et mécanique des mousses à base de titane (TiCp) et d’alliages de titane métastables Ti−Nb−Zr (TNZ) et Ti−Nb−Ta (TNT). Ce nouveau type de biomatériaux est créé dans le but d’être employé comme implants orthopédiques. Les implants conventionnels constitués de titane sont beaucoup plus rigides que l’os humain. Cet écart de rigidité entre l’implant et l’os amène un problème de résorption osseuse autour de l’implant dû à un phénomène communément appelé le stress-shielding. Cette résorption de la masse osseuse mène à l’assouplissement de la connexion os-implant, puis ultimement à l’échec de l’implant. Une solution à ce problème est de produire des implants de titane poreux, appelés mousses métalliques. Ces implants poreux sont beaucoup plus souples et permettent de se rapprocher, voire répliquer les propriétés mécaniques des os, évitant ainsi le problème de résorption osseuse associé au stress-shielding. En plus d’être plus souples par rapport aux implants conventionnels, les mousses métalliques sont constituées de pores ouverts en surface et interconnectés dans la matière. Cette caractéristique permet la circulation de fluide corporel à travers l’implant et l’ostéointégration, garantissant un ancrage adéquat de l’implant à l’os.

Des mousses métalliques ayant un taux de porosité variant de 0.25 à 0.65 provenant des différents matériaux ont été produites à partir d’un procédé issu de la métallurgie des poudres, le frittage de poudre métallique avec matériau-espaceur. Par la suite, la caractérisation de la morphologie a montré que pour toutes les mousses, la plage de porosité 0.35 à 0.45 apparaît être la plus appropriée pour l’ostéointégration puisque celle-ci mène à une distribution de taille de pores globalement comprise entre 100 et 600 μm. Cette plage de tailles de pores fait consensus dans la littérature comme étant optimale pour l’ostéointégration.

Pour ce qui est des propriétés mécaniques, les mousses de TiCp, TNZ et TNT ont un comportement similaire en compression : Aucune différence n’est perceptible entre les mousses à l’état fritté. De plus, sur la plage de porosité optimale 0.35 à 0.45, le module de Young des mousses se situe entre 15 et 8 GPa et la limite élastique varie de 300 à 150 MPa. Le module de Young est donc dans l’ordre de grandeur de celui de l’os cortical, alors que la limite élastique est supérieure pour une rigidité équivalente. Ces résultats atteignent les objectifs fixés au niveau des propriétés mécaniques des mousses pour leur utilisation comme implants orthopédiques.

Finalement, comparativement aux mousses TiCp, les propriétés mécaniques des mousses à base d’alliages de titane métastables TNZ et TNT peuvent être modifiées à l’aide d’un traitement thermique post-frittage. Ce traitement génère un comportement superélastique provoqué par la transformation martensitique réversible β → α″. L’effet de ce traitement est perceptible dans le cas des mousses à base de TNZ et permet d’abaisser la rigidité de ±20% dépendamment du taux de porosité. Le traitement thermique a cependant beaucoup moins d’effet dans le cas des mousses à base de TNT.

Titre traduit

Fabrication, morphology and mechanical properties of Ti and metastable Ti based foams for biomedical applications

Résumé anglais

This study is about manufacturing, morphological and mechanical characterization of Titanium (TiCp), metastable Ti based alloy Ti−Nb−Zr (TNZ) and Ti−Nb−Ta (TNT) foams. This new kind of biomaterials has been created to be used as orthopedic implants. The conventional titanium implants are much more rigid than human bone. This rigidity mismatch between the implant and bone generates the «stress shielding» phenomenon, which causes bone resorption, implant loosening and, ultimately, the implant failure. A solution to this problem is to produce porous titanium implants, named metallic foams. These porous implants are less rigid and come close, even mimic, the mechanical properties of bone, which prevent stress shielding. Furthermore, the porous structure of foams is composed of pores open to surface and interconnected. This characteristic allows body fluid circulation and bone ingrowth, resulting in an adequate implant/bone connexion.

Metallic foams with porosity ranging from 0.25 to 0.65 have been produced from the different materials using a powder metallurgy based method, the space-holder technique. The morphology characterization show that for all the foams, the 0.35 … 0.45 porosity range appears to be the most suitable for bone ingrowth, since these porosities lead to a pore size globally encompassed in the recommended 100…600 μm range.

From the mechanical behavior point of view, all as-sintered foams demonstrate similar compression behaviour in terms of their apparent Young’s modulus and critical stresses. In the recommended 0.35…0.45 porosity range, their Young's modulus varies from 15 to 8 GPa, while their yield stress varies from 300 to 150 MPa. The first characteristic comes close to that of cortical bone, while the second exceeds significantly bone resistance. These results meet the foams’ mechanical properties established for their use as orthopedic implants.

Compared to Ti foams, mechanical properties of metastable TNZ and TNT alloys’ foams can additionally be regulated within ±20% range, by selecting an appropriate post-sintering thermal treatment. This effect, which is initiated by activating reversible stress-induced β to α″ martensitic transformation, is strongly perceptible for TNZ foams, while being much lesspronounced for TNT foams.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 93-97.
Mots-clés libres: Mousses métalliques Conception et fabrication. Mousses métalliques Microstructures. Mousses métalliques Propriétés mécaniques. Titane. Titane Alliages. États métastables (Chimie) Implants orthopédiques Conception et fabrication. Biomatériaux. stress shielding
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 20 août 2014 19:09
Dernière modification: 20 août 2014 19:09
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1343

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