• Langue : Anglais
• Discipline : Chimie des matériaux
• Identifiant : 2024ULILR070
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 10/12/2024

Résumé en langue originale

Le domaine des matériaux pour implants biomédicaux a récemment progressé en raison du besoin croissant de matériaux favorisant la guérison et mieux intégrés au corps humain. Les implants métalliques classiques, bien qu'efficaces, nécessitent souvent une chirurgie secondaire pour être retirés et peuvent entraîner une résorption osseuse liée au « stress shielding ». Cela a conduit à un intérêt accru pour les matériaux biodégradables, avec le magnésium (Mg) prometteur grâce à sa biocompatibilité et ses propriétés mécaniques proches de l'os. Les chercheurs se concentrent sur les alliages de magnésium, sous forme de verres métalliques massifs (BMG), qui offrent une résistance accrue à la corrosion et de meilleures propriétés mécaniques. Le développement de BMGs à base de Mg est une avancée majeure, permettant des implants temporaires qui se dégradent après guérison, évitant ainsi une chirurgie de retrait.Cette thèse traite plusieurs défis liés aux BMGs à base de Mg pour des applications biomédicales :1. Le développement de nouvelles compositions d'alliages à meilleure aptitude à la formation de verre.2. L'optimisation des processus de fabrication pour obtenir des BMGs de qualité.3. La caractérisation des propriétés mécaniques, de corrosion et de biocompatibilité.4. L'utilisation de techniques de modélisation pour optimiser les performances des BMGs.Ce travail contribue à l'avancement des implants biodégradables, avec des applications en chirurgie orthopédique. Il propose une étude sur le développement et l'optimisation de verres métalliques en vrac à base de magnésium. La recherche combine modélisation théorique, techniques de fabrication et caractérisation des matériaux pour répondre au besoin de matériaux biodégradables offrant de bonnes propriétés mécaniques et une biocompatibilité accrue. Un examen de la littérature a permis d'identifier les lacunes sur les BMGs à base de Mg. À partir de l'approche CALPHAD et de la modélisation thermodynamique, une nouvelle composition, Mg65Zn31Ca4, a été prédite et synthétisée. Elle a montré une excellente capacité de formation de verre, confirmée par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique à transmission (TEM). Des simulations thermiques dans des moules en cuivre spécialement conçus ont optimisé le processus de coulée. Le BMG produit a montré une dureté de 2,95 ± 0,5 GPa et un module de Young de 61 ± 0,5 GPa, surpassant les BMGs à base de Mg précédemment étudiés.Les études de corrosion dans des solutions de NaCl et de fluides corporels simulés ont montré une excellente résistance, due à la structure amorphe de l'alliage et à sa teneur élevée en zinc. L'ajout d'Erbium (Er) a également été exploré, formant des alliages quaternaires Mg-Zn-Ca-Er. Bien que les modèles théoriques prévoyaient une meilleure aptitude à la formation de verre, les résultats expérimentaux ont montré un comportement plus complexe. La composition BEr0,5 (avec 0,5 % d'Er) a montré une amélioration des propriétés mécaniques, de la résistance à la corrosion et de la biocompatibilité par rapport à l'alliage ternaire.Les tests de biocompatibilité, incluant la mouillabilité de surface et la viabilité cellulaire, ont révélé des résultats prometteurs pour les alliages Mg65Zn31Ca4 et BEr0,5, confirmant leur potentiel comme matériaux biodégradables. Cette thèse établit des liens entre la composition, le traitement, la structure et les propriétés des BMGs à base de Mg. Des études in vivo à long terme et des essais sous conditions physiologiques restent nécessaires pour mieux comprendre et optimiser ces matériaux pour des applications biomédicales.En conclusion, cette recherche pose des bases solides pour le développement de BMGs à base de magnésium, avec des avancées potentielles dans les implants biodégradables. Cela pourrait ouvrir la voie à des applications en médecine personnalisée, notamment en orthopédie, et améliorer les résultats cliniques dans le domaine des implants biomédicaux.

Résumé traduit

The field of materials for biomedical implants has recently advanced due to the growing need for materials that promote healing and are better integrated into the human body. Traditional metallic implants, although effective, often require secondary surgery for removal and may lead to bone resorption related to "stress shielding." This has led to increased interest in biodegradable materials, with magnesium (Mg) showing promise due to its biocompatibility and mechanical properties similar to bone. Researchers are focusing on magnesium-based alloys, in the form of bulk metallic glasses (BMGs), which offer increased corrosion resistance and improved mechanical properties. The development of Mg-based BMGs is a major breakthrough, enabling temporary implants that degrade after healing, thus avoiding the need for removal surgery.This thesis addresses several challenges related to Mg-based BMGs for biomedical applications, including:1. The development of new alloy compositions with better glass-forming ability.2. The optimization of manufacturing processes to produce high-quality BMGs.3. The characterization of mechanical, corrosion, and biocompatibility properties.4. The use of modeling techniques to optimize BMG performance.This work aims to advance biodegradable implants, with potential applications in orthopedic surgery. It presents a study on the development and optimization of bulk metallic glasses based on magnesium for implants. The research combines theoretical modeling, advanced manufacturing techniques, and material characterization to meet the need for biodegradable materials with good mechanical properties and enhanced biocompatibility. A literature review helped identify knowledge gaps on Mg-based BMGs. Using the CALPHAD approach and thermodynamic modeling, a new composition, Mg65Zn31Ca4, was predicted and synthesized. It showed excellent glass-forming ability, confirmed by X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). Thermal simulations in specially designed copper molds optimized the casting process. The produced BMG demonstrated a hardness of 2.95 ± 0.5 GPa and a Young's modulus of 61 ± 0.5 GPa, surpassing previously studied Mg-based BMGs.Corrosion studies in NaCl solutions and simulated body fluids showed excellent resistance due to the alloy's amorphous structure and high zinc content. The addition of erbium (Er) was also explored, forming quaternary Mg-Zn-Ca-Er alloys. Although theoretical models predicted better glass-forming ability, experimental results showed more complex behavior. The BEr0.5 composition (with 0.5% Er) showed improved mechanical properties, corrosion resistance, and biocompatibility compared to the ternary alloy.Biocompatibility tests, including surface wettability and cell viability, revealed promising results for the Mg65Zn31Ca4 and BEr0.5 alloys, confirming their potential as biodegradable materials. This thesis contributes by establishing links between composition, processing, structure, and properties of Mg-based BMGs. Long-term in vivo studies and tests under physiological conditions are still needed to better understand and optimize these materials for biomedical applications.In conclusion, this research lays a solid foundation for the development of next-generation magnesium-based BMGs, with potential advancements in biodegradable implants. This could pave the way for applications in personalized medicine, particularly in orthopedics, and improve clinical outcomes in the field of biomedical implants.