Etude biomécanique de substituts osseux en titane poreux destinés à la chirurgie maxillo-faciale

par Alexandre Barbas

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Paul Lipinski.


  • Résumé

    Cette thèse présente le développement d’implants en titane poreux sur mesure pour la chirurgie maxillo-faciale. Après avoir caractérisé mécaniquement le titane grade 2 obtenu par un procédé de fabrication additive, le Selective Laser Melting, nous avons réalisé des simulations éléments finis afin de développer un motif élémentaire aux propriétés mécaniques proches de celles de l’os. L’affaiblissement des propriétés initiales du titane permet d’éviter les phénomènes de résorption osseuse menant au descellement de prothèses par exemple. La structure développée garantit une ostéointégration optimale en permettant au tissu osseux de croître à l’intérieur des porosités.Pour accélérer l’intégration des implants dans l’os, nous avons développé un traitement de surface composé d’une immersion dans de l’hydroxyde de sodium et d’une anodisation. Ceci permet de créer une nouvelle couche d’oxyde, en surface du titane, avec laquelle l’os va pouvoir créer rapidement des liens chimiques forts.Enfin, un modèle numérique propre à un patient a été réalisé pour étudier l’influence d’implants crâniens en différents matériaux sur la distribution des températures au niveau de la tête. Il s’est avéré qu’un implant en titane poreux présente un comportement thermique proche de celui du tissu osseux, ce qui garantit la protection thermique du cerveau. Un modèle simplifié assimilant la tête à une sphère a été confronté au modèle précédent. Les résultats de ces deux modèles coïncident, il est donc suffisant de réaliser un modèle simple pour prédire la distribution de la température dans la tête. Ces travaux ont conduit à plusieurs implantations de substituts osseux en titane poreux.

  • Titre traduit

    Biomechanical study of porous titanium bone substitutes for maxillofacial surgery


  • Résumé

    This thesis deals with the development of patient specific porous titanium implants for maxillo-facial surgery. Once the mechanical properties of Selective Laser Melted commercially pure grade 2 titanium were characterized, finite elements simulations were carried out to create an elementary pattern with mechanical properties close to those of human bone.Weakening the initial properties of titanium enables to avoid the bone resorption phenomenon that frequently leads to prosthesis loosening. The ability of bone to grow into the porosities of the designed structure ensures optimal osseointegration of the implants.A new surface treatment composed of an immersion in sodium hydroxyde followed by an anodic oxydation was developed to improve the substitute integration to bone. This treatment enables to create a new oxyde layer on titanium with which bone will quickly create strong chemical links.We designed a patient specific numerical model in order to check the impact of cranial substitutes made of various materials on the modification of temperature fields in the head. Porous titanium implant and bone showed very similar thermal responses. Therefore, a porous titanium implant provides excellent thermal protection of brain. This model was set against a simplified one where the head was considered as a sphere. Since the results of these models were very similar, we concluded that the simplified modelling is appropriate to quickly predict temperature fields in the head with implant.So far, several porous bone substitutes based on the elementary pattern developed in this thesis were successfully implanted in humans


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