Développement d’alliages de titane innovants à gradient de propriétés pour applications implantaires

Development of innovative titanium alloys with graded properties for implantology applications

• Auteur / Autrice : Stéphanie Delannoy
• Direction : Frédéric Prima, Laurence Jordan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Métallurgie
• Date : Soutenance le 07/07/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris
• Jury : Président / Présidente : Philippe Vermaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Doina Gordin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Géraldine Lescaille, Pascal Laheurte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gradient thérapeutique

Technologie

Implants dentaires

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Alliages de titane

Gradient d’élasticité

Module élastique

Déformation superficielle

Dissolution préférentielle

Transformation martensitique

Titanium alloys

Gradient of elasticity

Elastic modulus

Surface deformation

Preferential dissolution

Martensitic transformation

Résumé

Les travaux effectués concernent le développement d’alliages de titane à gradient d’élasticité. Ils s’inscrivent dans le cadre du développement de matériaux dédiés à l’implantologie dentaire, en collaboration avec l’entreprise Biotech Dental. La discontinuité élastique constatée à l’interface os/implant a été mise en cause dans la survenue de phénomènes de résorption osseuse pouvant conduire à des échecs implantaires. L’abaissement du module en surface pourrait alors permettre un transfert des contraintes plus approprié, à l’origine d’une amélioration de l’ostéo-intégration. Un travail amont, basé sur la considération de paramètres électroniques et d’éléments de biocompatibilité, a permis de sélectionner des alliages pouvant présenter une grande variabilité élastique : le Ti-13Nb-13Zr (%m.) et le Ti-20Nb-6Zr (%at.). Une étude préliminaire menée sur des échantillons fins a permis de confirmer cette variabilité et d’associer les bornes élastiques à différentes microstructures. Nous avons alors développé des approches combinant des séquences de déformation et de traitements thermiques courts sur des échantillons massifs. Ainsi, sur le TNZ, une approche de déformation superficielle par grenaillage d’un état β-trempé a permis d’obtenir un gradient de 65 GPa à 85 GPa sur 400 µm. Une approche de dissolution préférentielle sur le Ti-13-13 a quant à elle conduit à un gradient de 75 GPa à 130 GPa sur 100 µm, par traitement thermique flash d’un état précipité préalablement grenaillé. Ces résultats ont donc validé les combinaisons matériau–stratégie–procédé conçues précédemment. Ils ont aussi permis une rationalisation des différentes approches possibles pour obtenir le gradient.

The work carried out concerns the development titanium alloys with elastic gradient. They are part of the development of materials dedicated to dental implantology, in collaboration with the company Biotech Dental. The elastic discontinuity observed at the bone / implant interface has been called into question in the occurrence of bone resorption phenomena which can lead to implant failures. The lowering of the surface modulus could then allow a more appropriate transfer of stresses which would lead to an improvement of the osseointegration. An upstream work, based on the consideration of electronic parameters and biocompatibility elements, made it possible to select alloys which can exhibit a great elastic variability: Ti-13Nb-13Zr (wt.%) and Ti-20Nb-6Zr (at.%). A preliminary study carried out on laminated samples allowed to confirm this variability and to associate the elastic bounds obtained with different microstructural states. On the basis of these observations, we have developed approaches combining sequences of deformation and short heat treatments on massive samples. Thus, on the TNZ, a surface deformation approach by shot peening applied on a β-quenched state made it possible to obtain a gradient of 65 GPa to 85 GPa over 400 μm. And a preferential dissolution approach on the Ti-13-13 has lead to a gradient of 75 GPa to 130 GPa on 100 μm, via the realization of flash thermal treatments on massive samples in the precipitated state previously shot-peened. These results have thus validated the previously designed material - strategy - process combinations. They also allowed a rationalization of the different possible approaches to obtain the elasticity gradient.