• Langue : Anglais
• Discipline : Chimie des matériaux
• Identifiant : 2024ULILR023
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 16/05/2024

Résumé en langue originale

Les alliages de magnésium (Mg) sont de plus en plus étudiés pour des applications biomédicales en raison de leur biocompatibilité, biodégradabilité et de leurs propriétés mécaniques favorables. Cependant, leur dégradation rapide dans des environnements riches en chlore constitue un obstacle majeur. Des techniques d'alliage et de revêtement de surface ont été utilisées pour atténuer cette dégradation en modifiant la microstructure et les propriétés de surface. Cette étude explore l'intégration du zinc (Zn) et du calcium (Ca) en tant qu'éléments d'alliage, en tirant parti de leurs propriétés bénéfiques sur le corps humain. L'objectif est de concevoir des alliages par un processus de fabrication propre pour contrôler leur dégradation, avec un taux prévisible dans des conditions physiologiques.Des alliages Mg-Zn-Ca de haute pureté ont été produits en utilisant la coulée sous vide par induction (VIC), sans gaz SF6, contrairement aux méthodes traditionnelles. Divers rapports atomiques Zn/Ca ont été testés, adaptés à la physiologie humaine. Des voies d'optimisation, incluant le traitement thermomécanique, la micro-alliage et la modification de surface par des revêtements composites de biopolymères naturels et biocéramiques, ont été explorées pour identifier l'alliage Mg-Zn-Ca le plus adapté. Les propriétés matérielles ont été évaluées par EDS, microscopie optique, SEM, EBSD, micro-indentation, polarisation potentiodynamique, et études de dégradation in vitro. La caractérisation a révélé l'influence synergique des rapports atomiques Zn/Ca et des phases secondaires sur la résistance à la corrosion. La réduction de la concentration de Zn et Ca à <1 % a minimisé les phases secondaires, améliorant la résistance à la corrosion tout en maintenant un module d'élasticité similaire à l'os. Les études de cytocompatibilité et de cytosquelette cellulaire étaient conformes aux résultats de caractérisation. Pour renforcer la résistance à la corrosion et la réponse cellulaire, l'alliage Mg-Zn-Ca le plus prometteur a été revêtu de gélatine et β-TCP par dépôt électrophorétique en courant alternatif (AC-EPD).En conclusion, cette thèse introduit une composition d'alliage Mg-Zn-Ca biodégradable et bioactive, réalisée grâce à une technique VIC innovante pour les applications orthopédiques. Les micro-alliages et les revêtements composites ont abouti à une résistance remarquable à la corrosion et à des performances biologiques améliorées, répondant efficacement aux besoins de fixation osseuse.

Résumé traduit

Magnesium (Mg) alloys are emerging as prospective materials for biomedical applications due to their biocompatibility, biodegradability, and favourable mechanical properties. However, the rapid degradation of magnesium alloys in Chlorine environment and its consequential impacts have limited their wide spread use. To address this issue, judicious alloying and surface coating processes have been employed to mitigate their rapid degradation rate by altering the microstructure and surface properties of the Mg alloys. In this study, we explore the use of Zinc (Zn) and Calcium (Ca) as alloying elements due to their micronutrient properties and beneficial physiological effects in the human body. The main focus of this thesis is on alloy design, employing a clean manufacturing process and engineering the metal surface to regulate degradation of Mg alloys, with the ultimate goal of achieving a controlled and predictable degradation rate in physiological environments.High-purity Mg-Zn-Ca alloys were fabricated using Vacuum Induction Casting (VIC), a technique devoid of SF6 gas, unlike conventional Mg casting methods. The casting process was conducted in an inert atmosphere of Argon. Various Zn/Ca atomic ratios were considered during alloy fabrication, with concentrations suitable for human physiology. Optimization pathways, such as thermo-mechanical processing, micro-alloying, and surface modification using composite coatings (natural biopolymers and bioceramics), were explored to identify the most suitable Mg-Zn-Ca alloy. Material properties were assessed using techniques such as EDS, optical microscopy, SEM, EBSD, micro-indentation, potentiodynamic polarisation measurements, and in-vitro degradation studies.The material characterization revealed the synergistic effect of Zn/Ca atomic ratios and secondary phases on corrosion resistance in Mg-Zn-Ca alloys. Reducing the alloying concentration of Zn and Ca to less than 1 wt% minimized secondary phases in the Mg matrix, thereby enhancing corrosion resistance while maintaining an elastic modulus similar to that of natural bone. Cytocompatibility studies, including MTS assay for cell viability and assessment of cellular cytoskeleton using confocal microscopy on MC3T3-E1 osteoblast cell lines, correlated well with the material characterization results.To further enhance corrosion resistance and cellular response, the Mg-Zn-Ca alloy with the lowest corrosion rate and highest cytocompatibility underwent composite coating using Gelatin and β-TCP via Alternate Current Electrophoretic Deposition (AC-EPD). This surface modification not only promoted corrosion resistance but also increased cellular response to the alloys.In summary, this PhD thesis presents a biodegradable and bioresponsive Mg-Zn-Ca alloy composition using a unique and clean VIC technique for orthopedic applications. Micro-alloying and composite coating via AC-EPD resulted in excellent corrosion resistance and enhanced biological performance, effectively serving the purpose of bone fixatures throughout the bone healing process.