Fabrication directe par robocasting de biomatériaux architecturés métalliques

Beyond the personalisation aspect that it can bring to the medical field, additive manufacturing also gives access to the elaboration of cellular structures. These structures, with controlled porosity, make it possible both to modulate the mechanical properties of the object and to promote the cellular invasion necessary in tissue engineering. Among the metals commonly used in orthopaedic surgery, titanium alloys are those with the rigidity least distant from that of bone. This study therefore focuses on the development of structures made of Ti6-Al-4V, but also of magnesium since it has the advantage of being resorbable in the body. The scaffolds are obtained by robocasting, a process consisting of extruding, layer by layer, a pasty ink made up of powder and binder. The structures have then to be debinded and sintered at high temperature to achieve their final properties. For Ti-6Al-4V structures, a parametric study is carried out to evaluate the possibilities and limits of the process in terms of structures (and microstructures), chemical compositions and mechanical properties obtained. After optimisation, it is possible to obtain parts with two levels of interconnected porosities (intra-filament (interconnected) microporosity, beneficial for cell adhesion according to the literature, and drawn macropores), keeping a specific yield strength higher than that of bone (105 MPa.cm³/g) and a Young's modulus close to that of bone (28-30 GPa). An intra-filament porosity gradient can also be obtained by varying the powder size within a single part. Concerning magnesium, a binder compatible with the reactivity of the powder (ethanol base) has been identified and the first steps of the process (printing, debinding) are therefore quite feasible for this material. However, conventional sintering of (pure) magnesium is complicated by its reactivity. Alternative sintering methods are therefore being investigated (liquid phase sintering, Spark Plasma Sintering).
Au-delà de l'aspect de personnalisation qu'elle peut apporter au domaine médical, la fabrication additive donne aussi accès à l'élaboration de structures cellulaires. Ces structures, de porosité maîtrisée, permettent à la fois de moduler les propriétés mécaniques de l'objet, mais aussi de favoriser l'invasion cellulaire nécessaire en ingénierie tissulaire. Parmi les métaux communément utilisés en chirurgie orthopédique, les alliages de titane sont ceux présentant la rigidité la moins éloignée de celle de l'os. Cette étude porte donc sur l'élaboration de structures en Ti6-Al-4V, mais aussi en magnésium puisqu’il présente l'avantage d'être résorbable dans l'organisme. Les scaffolds sont obtenus par robocasting, procédé consistant à extruder, couche par couche une encre pâteuse constituée de poudre et de liant. Les structures sont ensuite déliantées et frittées à haute température pour atteindre leurs propriétés finales. Concernant les structures en Ti-6Al-4V, une étude paramétrique est effectuée pour évaluer les possibilités et les limites du procédé en termes de structures (et microstructures), de compositions chimiques et de propriétés mécaniques obtenues.Après optimisation, il est possible d'obtenir des pièces présentant deux niveaux de porosités interconnectées (microporosité intra-filament (interconnectée), bénéfique pour l'accroche cellulaire d'après la littérature, et macropores dessinées), gardant une limite d'élasticité spécifique supérieure à celle de l'os (105 MPa.cm³/g) et un module d'Young proche de celui de l'os (28-30 GPa). Un gradient de la porosité intra-filamentaire peut également être obtenu en faisant varier la taille de poudre au sein d’une seule et même pièce. Concernant le magnésium, un liant compatible avec la réactivité de la poudre (base éthanol) a pu être identifié et les premières étapes du procédé (impression, déliantage) sont donc tout à fait réalisables pour ce matériau. Toutefois, le frittage conventionnel du magnésium (pur) s'avère compliqué du fait de sa réactivité. Des alternatives de frittage sont donc étudiées (frittage en phase liquide, SPS).