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

Ce travail porte sur le developpement de la technologie de fabrication et la caracterisation morphologique et mecanique des mousses a base de titane (TiCp) et d’alliages de titane metastables Ti−Nb−Zr (TNZ) et Ti−Nb−Ta (TNT). Ce nouveau type de biomateriaux est cree dans le but d’etre employe comme implants orthopediques. Les implants conventionnels constitues de titane sont beaucoup plus rigides que l’os humain. Cet ecart de rigidite entre l’implant et l’os amene un probleme de resorption osseuse autour de l’implant du a un phenomene communement appele le stress-shielding. Cette resorption de la masse osseuse mene a l’assouplissement de la connexion os-implant, puis ultimement a l’echec de l’implant. Une solution a ce probleme est de produire des implants de titane poreux, appeles mousses metalliques. Ces implants poreux sont beaucoup plus souples et permettent de se rapprocher, voire repliquer les proprietes mecaniques des os, evitant ainsi le probleme de resorption osseuse associe au stress-shielding. En plus d’etre plus souples par rapport aux implants conventionnels, les mousses metalliques sont constituees de pores ouverts en surface et interconnectes dans la matiere. Cette caracteristique permet la circulation de fluide corporel a travers l’implant et l’osteointegration, garantissant un ancrage adequat de l’implant a l’os. Des mousses metalliques ayant un taux de porosite variant de 0.25 a 0.65 provenant des differents materiaux ont ete produites a partir d’un procede issu de la metallurgie des poudres, le frittage de poudre metallique avec materiau-espaceur. Par la suite, la caracterisation de la morphologie a montre que pour toutes les mousses, la plage de porosite 0.35 a 0.45 apparait etre la plus appropriee pour l’osteointegration puisque celle-ci mene a une distribution de taille de pores globalement comprise entre 100 et 600 μm. Cette plage de tailles de pores fait consensus dans la litterature comme etant optimale pour l’osteointegration. Pour ce qui est des proprietes mecaniques, les mousses de TiCp, TNZ et TNT ont un comportement similaire en compression : Aucune difference n’est perceptible entre les mousses a l’etat fritte. De plus, sur la plage de porosite optimale 0.35 a 0.45, le module de Young des mousses se situe entre 15 et 8 GPa et la limite elastique varie de 300 a 150 MPa. Le module de Young est donc dans l’ordre de grandeur de celui de l’os cortical, alors que la limite elastique est superieure pour une rigidite equivalente. Ces resultats atteignent les objectifs fixes au niveau des proprietes mecaniques des mousses pour leur utilisation comme implants orthopediques. Finalement, comparativement aux mousses TiCp, les proprietes mecaniques des mousses a base d’alliages de titane metastables TNZ et TNT peuvent etre modifiees a l’aide d’un traitement thermique post-frittage. Ce traitement genere un comportement superelastique provoque par la transformation martensitique reversible β → α″. L’effet de ce traitement est perceptible dans le cas des mousses a base de TNZ et permet d’abaisser la rigidite de ±20% dependamment du taux de porosite. Le traitement thermique a cependant beaucoup moins d’effet dans le cas des mousses a base de TNT.