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Développement de structures métalliques poreuses pour applications médicales : modélisation, fabrication et caractérisation morphologique et mécanique

Simoneau, Charles (2017). Développement de structures métalliques poreuses pour applications médicales : modélisation, fabrication et caractérisation morphologique et mécanique. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les implants orthopédiques comme la prothèse de hanche sont composés de matériaux métalliques possédant une rigidité significativement plus élevée que celle des tissus osseux. De ce fait, les chargements comme le poids du corps sont presque entièrement repris par l’implant (effet de déviation des contraintes). Il en résulte donc une résorption de la masse osseuse autour de l’implant augmentant les risques de descellement aseptique ou de fracture de l’os. Une solution possible réside dans le développement d’une nouvelle génération d’implants composés de matériaux métalliques poreux présentant un excellent potentiel de compatibilité mécanique et morphologique. En effet, la rigidité de l’implant poreux, contrôlable grâce à sa porosité, peut être ajustée de façon à ce qu’elle soit similaire à celle des tissus osseux. De plus, l’ostéo-intégration dans la structure poreuse est améliorée, ce qui permet une meilleure adhérence de l’os à l’implant.

Cette thèse présente sous forme de trois articles scientifiques les travaux de recherche qui ont mené à la modélisation, la fabrication et la caractérisation morphologique et mécanique de telles structures poreuses métalliques.

En premier lieu, un algorithme a été développé pour générer la morphologie de structures poreuses (ou mousses). Par la suite, la stéréologie a été utilisée afin de caractériser la morphologie de mousses de différentes dimensions et porosité sur le plan de la taille, forme et distribution des pores. Ensuite, l’approche du volume élémentaire représentatif a été adoptée afin de déterminer les dimensions minimales de la structure poreuse menant à une morphologie représentative. Enfin, la morphologie des mousses générées avec l’algorithme a été comparée avec succès à celle de mousses de titane produites par frittage de poudre avec matériau espaceur validant ainsi l’algorithme de génération.

En deuxième lieu, une approche méthodologique a été développée afin de concevoir, fabriquer et tester des échantillons de traction poreux dans le but de déterminer leurs propriétés mécaniques. La conception des échantillons a été fondée sur la méthode des éléments finis et l’approche du volume élémentaire représentatif. La combinaison de ces deux approches a permis de déterminer les dimensions minimales de la section utile des échantillons de traction. Ensuite, des échantillons de différentes porosités (30 à 50 %) générés par l’algorithme ont été fabriqués à l’aide de la fusion sélective sur lit de poudre. Puis, des essais de traction ont été réalisés sur les échantillons poreux permettant de caractériser leurs propriétés mécaniques. Finalement, les résultats expérimentaux ont été comparés avec succès aux résultats d’analyse par éléments finis dans le domaine élastique.

En troisième lieu, une tige fémorale poreuse conçue pour offrir une biocompatibilité améliorée a été développée. En utilisant les résultats des travaux précédents, la porosité optimale de la tige permettant d’obtenir une taille de pore favorisant la croissance osseuse et une rigidité similaire à celle des tissus osseux a été déterminée. La fusion sélective sur lit de poudre a ensuite été utilisée pour la fabrication additive d’une tige poreuse générée par l’algorithme ainsi que d’une autre complètement dense pour des fins de comparaison. En parallèle, un modèle éléments finis a été développé afin de pouvoir prédire le comportement de tels implants. Finalement, des essais mécaniques ont été réalisés sur les tiges. Ceci a permis de valider le modèle numérique et de confirmer que la tige poreuse est beaucoup plus souple que son homologue complètement dense.

Titre traduit

Development of porous metallic structures for medical applications : modeling, fabrication, and morphological and mechanical characterization

Résumé traduit

Currently, orthopedic implants such as the hip prosthesis are made of metallic materials whose stiffnesses are higher than that of human bones. Consequently, bearing loads such as the human body weight are almost fully taken by the implant (stress shielding effect). Bone-resorption around the implant which can lead to the aseptic loosening of the implant, or bone fracture are among the possible consequences. To address this problem, one solution is to develop a new generation of implants containing a porous metallic structure with great potential for mechanical and morphological compatibility. Indeed, the stiffness of the porous implant can be adjusted to match that of the bone by controlling its porosity. Moreover, osseointegration in the porous structure is enhanced, and therefore provided a suitable initial stability of the implant.

This manuscript-based thesis containing three scientific publications presents the works that have led to the modeling, manufacture and morphological and mechanical characterization of such porous metallic structures.

Firstly, an algorithm was developed to generate the morphology of porous structures (or foams). Then, stereology was used to characterize the morphology of foams of various dimensions and porosities in terms of the pore size, shape and distribution. The minimum dimensions of the foam providing a representative morphology were assessed using the representative volume element approach. Finally, the morphology of the porous structures generated by the algorithm was successfully compared to that of porous titanium foams manufactured by the space holder method: the modeling algorithm was therefore validated.

Secondly, a methodological approach was proposed to design, manufacture and test porous tensile specimens in order to determine their mechanical properties. The design phase was based on the finite element method and the representative volume element approach. Such a combination allowed determining the minimal dimensions of the gauge section of the porous samples. Then, tensile specimens of various porosities (30 to 50 %) were generated by the morphology generation algorithm and produced using selective laser melting. Following their additive manufacturing, the porous specimens were subjected to uniaxial tension to failure to allow the determination of their mechanical tensile properties. Finally, the experimental results were successfully compared to those of the numerical model.

Thirdly, a porous femoral stem designed to provide an improved biocompatibility was developed. Based on the results previously obtained, the optimal porosity of the femoral stem allowing obtaining a pore size favoring bone ingrowth and a stiffness matching that of bone was determined. Then, selective laser melting was adopted to additively manufactured the porous stem altogether with its fully dense replica for reference purposes. In the same time, a finite element model was developed in order to predict the mechanical response of such implant. Finally, the porous and dense stems were subjected to mechanical test allowing validating the numerical model, and to demonstrate that the porous stem is much more compliant than its dense counterpart.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 127-142.
Mots-clés libres: Prothèses intégrées Conception et fabrication. Prothèses intégrées Modèles mathématiques. Fémur Lésions et blessures Traitement. Matériaux poreux Propriétés mécaniques. Alliages à mémoire de forme. Impression tridimensionnelle Médecine. Métaux en chirurgie. structure poreuse, analyse par éléments finis, fabrication additive, volume élémentaire représentatif, applications médicales
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 07 mars 2017 17:16
Dernière modification: 07 mars 2017 17:16
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1827

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