Elaboration et étude des propriétés physiques de nanocomposites hybrides à finalité orthopédique

par Cyril Sender

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Alain Bernes.

Soutenue en 2008

à Toulouse 3 .

mots clés

• Polyamide semi-aromatique
• Hydroxyapatite
• Nanocomposite
• Cristallisation dynamique
• Propriétés mécaniques dynamiques
• Conditions quasi-physiologiques
• Propriétés diélectriques
• Orthopédie
• Biomatériaux
• Implants orthopédiques

Résumé

En chirurgie orthopédique, l'implantation de biomatériaux ayant des propriétés mécaniques plus élevées que celles de l'os conduit au phénomène de déviation des contraintes physiologiques à l'origine d'une perturbation du remodelage des tissus osseux. Dans une logique biomimétique et sur la base du concept d'adaptation d'impédance mécanique, ces travaux proposent l'élaboration et l'étude des propriétés physiques de nanocomposites hybrides à base polyamide renforcé par des nanoparticules d'hydroxyapatite. L'analyse calorimétrique par ACD a permis d'étudier l'influence des renforts sur la cristallisation dynamique de la matrice. Les techniques diélectriques SDD et CTS ont révélé l'existence de deux relaxations principales et renseigné sur la localisation des renforts. Des mesures mécaniques dynamiques (SMD) et statiques (flexion trois points) ont permis de mettre en évidence le rôle renforçant combiné joué par l'hydroxyapatite et les molécules d'eau absorbées pour T<Tg, et leur effet plastifiant sur la relaxation principale. Le choix d'une matrice polyamide semi-aromatique et de renforts de taille nanométrique s'est avéré indispensable à l'élaboration d'un nouveau biomatériau alliant une parfaite biocompatibilité et des performances mécaniques adaptées au domaine de l'orthopédie.

Titre traduit

Processing and physical properties study of hybrid nanocomposites for orthopaedic applications

Résumé

In orthopaedics, the implantation of biomaterials having higher mechanical properties than bone leads to physiological stress field deviation (stress-shielding effect) disturbing calcified tissues remodelling processes. In a biomimetic way and based on the mechanical impedance matching concept, this work deals with processing and physical properties study of hybrid nanocomposites composed of a polyamide matrix reinforced with hydroxyapatite nanoparticules. The calorimetric analysis by DSC allowed the determination of nanoparticles effect on matrix dynamic crystallisation. The dielectric techniques BDS and TSC pointed out two principal relaxation processes and provided information about the nanoparticles localisation. Dynamic and static mechanical measurements (respectively by DMA and three point bending) displayed the combined reinforcing effect of hydroxyapatite and absorbed water for T<Tg and their additional plasticization role on the principal relaxation process. The association of a semi-aromatic polyamide with hydroxyapatite nanoparticles was necessary to promote a new biocompatible material with adapted mechanical properties for orthopaedic applications.