Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 134-142.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 121-133. Glossaire.

Thèse doctorat : Génie des Matériaux : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 203-215. Publications de l'auteur p. 217-218. Index.

Les expériences décrites dans ce mémoire confirment les avantages remarquables des méthodes d'élaboration de poudres céramiques à partir de gel, même pour des systèmes complexes tels que la zircone yttriée et le dispersoïde alumine-zircone. Il est possible d'obtenir une grande homogénéité des produits, de la composition chimique et parfois même de la morphologie des poudres. Une meilleure homogénéité de la poudre permet d'obtenir des céramiques ayant des caractéristiques supérieures à celles préparées par les méthodes traditionnelles. En réduisant les fluctuations néfastes, caractéristiques des productions inhomogènes, on peut produire des céramiques possédant une fiabilité élevée.

L’objectif de cette thèse est le développement de composites dans le système alumine-zircone par une approche d’ingénierie des poudres permettant de façonner les caractéristiques microstructurales et compositionnelles, et, par conséquent, les propriétés des matériaux finaux. Les poudres composites ont été elaborée à travers la modification de la surface des poudres commerciales par un précurseur inorganique de les phases secondaires . Cette approche innovante assure un degré élevé du contrôle de la taille et de la distribution des grains de seconde phase sur la surface du matériau parent. Les poudres composites à base d’alumine contenant 10 vol% de zircone non-stabilisée et des poudres composites à base de zircone triphasique contenant 8 vol% d’alumine et 8 vol% de phase aluminate, ont été développées. Leur propriétés physiques, chimiques et mécaniques a été caractérisé. Dans le cas premier, les materials porous ont été développés à travers le technique gel-casting avec sphères de PE. Les mécanismes de ténacité de la zircone ont été étudiés, révélant aucun influence sur les propriété mécaniques. Les composites poreux présentent des valeurs de résistance à la rupture plus élevées, en comparant à des alumines pures, mais cet amélioration peut être raisonnablement dû à leur microstructure plus fine, celle-ci étant caractérisée par des grains et des pores plus petits. Dans le deuxième cas, a partir de la Ce-TZP, connue pour sa ténacité et sa stabilité importantes, un travail d’optimisation de la microstructure a été réalisé afin d’obtenir une résistance à la rupture maximale. Les matériaux présentés dans cette étude ont été développés afin de répondre au triple objectif de ténacité, résistance et stabilité. Deux composites très prometteurs, avec des résistances à la rupture élevées (environ 900 MPa) et ténacités élevées (environ 10Mpa√m), ont été réalisés. De plus, les composites étudiés ont montré de hautes capacités de transformation et pas de faible température de dégradation en atmosphère humide, dans les temps des applications médicales. Il a été démontré que les propriétés mécanique sont vivement affectées par le degré de stabilisation de la zircone. L’étude de la relation entre les propriétés finales et l’architecture de la composition/microstructure, au but d’obtenir les propriétés désirées, se révèle nécessaire. / The aim of this PhD study is the development of composites in the alumina-zirconia system through a powder engineering approach which allows tailoring the compositional and microstructural features, and, as a consequence, the properties of the final materials. The experimental activities refer to two different projects. The first, named MITOR project, was devoted to the elaboration and mechanical characterization of macro-porous Alumina-Zirconia composites. It dealt with the development of a new method for the elaboration of composite cellular ceramics and with the investigation of the role of zirconia and its toughening mechanisms in porous materials, thus filling a gap in the scientific literature. The latter, a European Project named Longlife, was dedicated to the preparation and characterization of zirconia (stabilized with ceria)-based composites for dental and spine implants. The major aim was to overcome the drawbacks proper of yttria-zirconia-based materials, concerning their stability in moisture atmosphere as well as their low toughness. Ceria-zirconia-based composites should benefit from phase transformation toughening still keeping high strength. In addition, they should not suffering of surface degradation in presence of water. So, materials characterized by high strength, high toughness with a perfect reliability and a lifetime longer than 60 years were investigated. Alumina-based composite powders containing 10 vol% of un-stabilized zirconia as well as tri-phasic zirconia-based composite powders containing 8 vol% of alumina and 8 vol% of an aluminate phase(Srontiuma nd Magnesium hexaxaluminate), were developed and characterized in terms of phase evolution and thermal behaviour. In addition, the adopted elaboration route allowed tailoring the ceria amount inside the zirconia grains: four different zirconia stabilization degree were thus investigated. Two very promising composites with high fracture strength, of about 900 MPa, and high crack resistance were found. Furthermore, the investigated composites showed high transformability and no low temperature degradation in moisture atmosphere in the time-scale of medical applications. It was shown that the deep knowledge of all the involved mechanisms (such as raw powders dispersion, pH suspension, powder thermal treatments) is crucial for achieving a full control of the powders features and, consequelntly, of the final microstructures.

Le procédé de synthèse et les divers traitements thermiques ou mécaniques modifient les propriétés physicochimiques des zircones industrielles. Cependant, l'origine exacte de ces modifications est difficile à déterminer compte-tenu des imprécisions concernant la préparation des produits industriels. Les oxydes de zirconium sont synthétisés par précipitation de gel. Les propriétés physicochimiques de la zircone sont liées aux modifications des différents paramètres (température, ph de fin de neutralisation, séchage, conditions de calcination). L'obtention du dispersoïde alumine-zircone par coprécipitation de gels permet une bonne homogénéisation des poudres. Selon les conditions de synthèse, l'interaction entre les oxydes peut devenir un phénomène important qui dans certains cas améliore notablement les propriétés mécaniques des matériaux obtenus.

Cette thèse porte sur l'évaluation de la réponse cellulaire in vitro vis-à-vis de différentes stratégies de modification de surface pour améliorer la capacité d’ostéointégration de céramiques bioinertes pour implants orthopédiques et dentaires. Premièrement des surfaces l'alumine-zircone avec différentes micro-rugosités obtenues par moulage par injection ont été étudiées. Le comportement d'ostéoblastes primaires humains (obtenus à partir de têtes de fémurs soumis à arthroplastie) a été étudié sur les surfaces telles quelles ou modifiées par traitement avec acide hydrofluorique. La micro-rugosité a eu seulement un effet mineur sur la réponse ostéoblastique tandis que la combinaison de micro- et nano-rugosité a eu un effet synergique sur la maturation ostéoblastique. Cette stratégie de modification de surface ouvre la voie vers des cupules acétabulaires céramiques monoblocs directement ostéo-intégrées. Deuxièmement, le robocasting (une technique d’impression 3D) a été exploré pour la production de structures macroporeuses en alumine-zircone avec une haute reproductibilité et contrôle architectural. Les structures imprimées ont présentées une topographie aux multiples niveaux grâce au design et les conditions de frittage. Les ostéoblastes ont pu s'attacher sur les structures 3D mais la préservation des cellules à l’intérieur des scaffolds sur le long terme reste à améliorer. Des techniques de sélection rapide de modifications de surface ont fait l'objet de la dernière partie de cette thèse. Deux différentes stratégies ont été utilisées sur la zircone: laser femtoseconde pour la production de multiples motifs sur un échantillon unique et échantillons avec un gradient de rugosité via le contrôle du temps d’attaque chimique. La morphologie des cellules souches humaines a permis d'avoir un indicateur précoce de la lignée de différentiation cellulaire. En conclusion, les différentes techniques de modification de surface de zircone et alumine-zircone utilisées à travers la thèse peuvent moduler l’interaction cellule-matériau en stimulant la différentiation ostéoblastique de cellules souches et la maturation des ostéoblastes. / The focus of this PhD thesis is the in vitro evaluation of cell-material interactions on bioinert ceramics with novel surface modifications for enhanced osseointegration of orthopaedic and dental implants. Firstly, alumina-zirconia surfaces with different micro-roughnesses obtained by injection moulding were studied. The behaviour of human primary osteoblasts (hObs) obtained from patients undergoing total hip replacements was studied on the different micro-rough ZTA surfaces and on combined micro-/nano-rough surfaces modified by hydrofluoric acid treatment. Micro-roughness alone had minor effects on hOb response while the combination micro-/nano-roughness induced a synergic effect on hOb maturation. This latter surface modification technique opens the way to the fabrication of ceramic acetabular cups with direct implantation capabilities. Secondly, robocasting (a 3D printing technique) was explored for the fabrication of a alumina-zirconia macroporous structures with high reproducibility and control of the architecture. Roughness at different scales was observed for the 3D structures due to the scaffold design and to the low temperature sintering conditions. Osteoblasts were able to attach on the 3D structures but cell retention at long term needs further optimization. Rapid screening of cell-material interactions was the subject of the last part of the thesis. Two different strategies were tested on zirconia: femtosecond laser to produce multiple patterns on a single sample and samples with a roughness gradient by the control of chemical etching time. Stem cell morphology was used as an early marker of cell differentiation lineage. In conclusion, the different surface modification techniques of zirconia and alumina-zirconia surfaces used in the thesis allow the modulation of cell-material interactions by stimulating stem cells osteogenesis and osteoblast maturation.

Les techniques de frittage ultrarapide « naturel » (sans charge) comme le frittage par micro-ondes ou par induction présentent de nombreux avantages. Toutefois, le développement de ces techniques passe par une compréhension et une maitrise des mécanismes mis en jeu. A la fois similaires et complémentaires, ces procédés de chauffage-frittage ont été étudiées par une approche expérimentale afin d’approfondir les connaissances dans le domaine du Frittage Ultrarapide Naturel (FUN). Au cours de cette thèse, l’étude du frittage par micro-ondes de composites céramiques Al2O3-(Y)ZrO2 (3 à 40%vol.) a été menée parallèlement à celle du frittage par induction d’une poudre métallique micronique de nickel. La démarche expérimentale adoptée a consisté à réaliser des expériences de frittage à vitesses de chauffage imposées (de 25 à 1000°C/min) sur ces matériaux modèles et des pièces de petites dimensions, en se référant aux comportements en frittage conventionnel tant au niveau macroscopique qu’au niveau microscopique. / The techniques of ultrafast pressureless sintering as microwave or induction sintering offer manyadvantages. However, the development of these techniques requires an understanding and a control ofthe mechanisms involved. Both similar and complementary, these processes of heating-sintering havebeen studied by an experimental approach to increase knowledge in the field of Ultrafast PressurelessSintering.In this thesis, the study of microwave sintering of Al2O3-(Y)ZrO2 composites has been conductedin parallel with induction sintering of a submicronic nickel powder. The experimental approach usedconsisted in carrying out sintering experiments at imposed heating rates (from 25 to 1000°C/min) onchosen materials and small parts, referring to conventional sintering behavior at the macroscopic andmicroscopic scale.