Étude comparative des caractéristiques physicochimiques et mécaniques des biomatériaux à base de phosphate de calcium, d’alumine et de zircone : Caractérisation et modélisation

Abstract

La forte implication des biomatériaux à base des phosphates de calcium d’alumine et de zircone dans le domaine de l’implantation osseuse et l’interdépendance entre réponse biologique et propriétés de ces biomatériaux implantés nécessitent en amont un haut niveau de maîtrise et de contrôle de la préparation de ces biocéramiques. La forte dispersion des données de la littérature concernant ces biomatériaux a rendu nécessaire de porter une grande attention particulière à cette famille de céramiques. Le protocole choisi pour la préparation des poudres d’hydroxyapatite (HAP) et β tricalcique (β-TCP) permet d’avoir des poudres très fines avec une taille moyenne des grains d’environ de 0,2 μm, et des valeurs élevées de surface spécifique (90 m2/g pour l’HAP et 86 m2/g pour le β-TCP). Les essais de frittage réalisés, dans le domaine de température 1000–1400°C, ont montré que l’HAP présente une bonne aptitude au frittage dans l’intervalle de température entre 1100–1250 °C et que le b-TCP présente une bonne densification aux alentours de la température optimale de frittage 1160°C. Le procédé d’élaboration utilisé dans cette étude mène à des biocéramiques très denses (98% par rapport à la densité théorique pour les deux produits). Les propriétés mécaniques des céramiques d’HAP et de β-TCP ont été étudiées. Les valeurs optimales du module de Young, de la résistance à la rupture, de la dureté Vickers et de la ténacité sont atteintes pour des éprouvettes d’HAP obtenues par frittage à 1200°C et pour celles de β-TCP obtenues à 1160°C pendant 3 heures. L’influence de température de frittage et de l’environnement sur les propriétés mécaniques est aussi étudiée. Une dégradation des propriétés mécaniques de l’ordre de 70% a été observée en milieu humide proche du milieu biologique. Le deuxième volet de ce travail est consacré à l’étude du comportement mécanique des matériaux à base d’alumine et de zircone par la méthode des éléments finis. Cette partie a pour objectif de construire des matériaux modèles optimisés sans passer par les étapes de synthèse et d’élaboration. La détermination de la distribution des contraintes au voisinage d’une inclusion sphérique est étudiée. L’effet de l’inclusion sphérique sur la matrice est assimilé à une pression interne qui a été calculée en se basant sur le module de Lutz et col. Les résultats que nous avons obtenus permettent d’éviter la rupture catastrophique de la matrice lors de renforcement La méthode des éléments finis utilisée pour la détermination des champs de contraintes aux voisinages de plusieurs inclusions permet d’une part, de montrer que le renforcement dans les biocéramiques à base d’alumine et alumine/zircone est assuré par la transformation de phase de la zircone dans les zones de renfort. D’autre part, d’optimiser la distance interinclusions qui provoque la déviation et la bifurcation des fissures qui peuvent se propager sous l’effet des contraintes de service.