Magnesium for biomedical applications as degradable implants : thermomechanical processing and surface functionalization of a Mg-Ca alloy

par Olivier Jay

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Patricia Donnadieu et de Shahrzad Esmaeili.

Le président du jury était Guy Dirras.

Le jury était composé de Patricia Donnadieu, Shahrzad Esmaeili, David Fraboulet.

Les rapporteurs étaient Frédéric Prima, Anna Fraczkiewicz.

  • Titre traduit

    Magnésium pour application biomédicale comme implant dégradable : procédés thermomécaniques et fonctionnalisation de surface d'un alliage Mg-Ca


  • Résumé

    Depuis la dernière décennie, les implants dégradables pour fixation de fracture connaissent un intérêt grandissant. Parmi tous les matériaux, le magnésium apparait comme un candidat prometteur dû à une combinaison unique de propriétés. Le magnésium est très bien toléré par le corps, il a une tendance naturelle à la dégradation et son faible module élastique peut aider à réduire le stress-shielding durant la reconstitution de l'os. Cependant, une combinaison optimale entre les propriétés mécaniques et la vitesse de dégradation doit être obtenue. Le calcium étant biocompatible et procurant différents effets bénéfiques, l'alliage sélectionné pour ce projet est le Mg-2wt.%Ca. Afin d'optimiser cet alliage, nous proposons une stratégie volume/surface : modifier la microstructure interne par des traitements thermomécaniques et fonctionnaliser la surface à l'aide d'une technique additive.Du laminage et de l'extrusion à chaud ainsi que de l'extrusion coudée à aires égales (ECAE), ont été utilisé afin de modifier la microstructure. La déformation plastique sévère induite par l'ECAE produit la plus fine microstructure (taille de grain et particules de seconde phase). Alors que différentes caractéristiques microstructurales (dislocations, macles, taille de grain) peuvent justifier l'augmentation de la résistance mécanique, l'évolution de la résistance à la corrosion semble principalement affectée par la microstructure de la seconde phase et la taille de grain. Cette influence résulte de la combinaison d'un effet micro-galvanique et de la dispersion des particules de Mg2Ca et possiblement d'une couche d'oxide plus stable. L'ECAP apparait comme le traitement le plus efficace pour augmenter les propriétés mécaniques et le comportement à la corrosion.La fonctionnalisation de surface a été réalisée par un dépôt à motif réguliers à l'aide d'une technique de microdéposition de nanoparticules d'argent afin d'apporter un effet antibactérien à la surface. La déposition est suivie d'un procédé de frittage par laser. Une série de déposition a été conduite afin d'optimiser les conditions du dépôt de nanoparticules d'argent. La topographie de la couche déposée, la qualité du frittage ainsi que l'impact thermique du traitement laser sur la microstructure du substrat a été caractérisée par profilommétrie, SEM et TEM. Une modélisation par éléments finis a été réalisé afin de décrire l'impact thermique du traitement laser. Cette simulation pourra être utilisée à des fins d'optimisation du procédé de dépôt.Combiner une approche sur la microstructure interne et la surface du matériau a permis d'obtenir un alliage de magnésium fonctionnalisé ayant des propriétés améliorées qui peut être considéré dans de futurs tests biomédicaux.


  • Résumé

    Since the last decade, degradable implants for bone fixation have attracted special attention. Among different materials, magnesium appears as a promising candidate due to its unique combination of properties. Magnesium is very well tolerated by the body, it has a natural tendency for degradation and its low elastic modulus helps to reduce stress-shielding effect during bone healing. However, an optimal compromise between mechanical resistance and degradability kinetics has to be achieved. Since calcium is biocompatible and has several beneficial effects on magnesium, the alloy selected for this project is: Mg-2wt.%Ca alloy. To optimize this alloy for implant application, we propose a bulk/surface approach: i.e. tailoring the bulk microstructure by thermomechanical treatments and surface functionalization by additive manufacturing.Hot rolling and extrusion, and equal channel angular pressing (ECAP) have been used to tailor the microstructure. Severe plastic deformation induced by the ECAP process produces the finest grain and second particle phase microstructure. While different microstructural features (dislocations, twins, grain size) can account for the increase of the mechanical strength, the evolution of the corrosion resistance appears as primarily affected by grain size and second phase microstructure. This influence results from the combination of a micro galvanic effect, the dispersion of the second phase Mg2Ca and possibly a more stable oxide layer. Finally ECAP appears as the most efficient processing to improve both mechanical and corrosion behavior.Surface functionalization is achieved by designing a surface pattern using microdeposition with silver nanoparticles to add an antibacterial effect. The deposition is followed by a laser sintering process. A series of deposition were performed to optimize the deposition conditions for silver nanoparticles. The layer topography, the sintering, and the thermal impact of the laser treatment on the substrate microstructure have been characterized by profilommetry, SEM, TEM. A finite element simulation has been realized to describe the thermal effect of the laser treatment. This simulation can be further used for optimizing the patterning deposition process.Combining the bulk and surface approach have permitted to obtain a functionalized magnesium alloy with enhanced properties that can be considered for further biomedical tests.


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