Ce travail a consisté à élaborer un biomatériau hybride constitué d’un tissu de fibres de carbone (TFC) revêtu de phosphates de calcium (CaP) déposés par un procédé de sono-électrodéposition et à étudier l’influence des paramètres expérimentaux sur la composition chimique, la microtexture et la structure des revêtements phosphocalciques, ainsi que la biocompatibilité in vitro du biomatériau hybride. La densité de courant s’est avérée être un paramètre important. Pour de fortes densités de courant (≥ 100 mA/g), un régime d’électrolyse rapide de l’eau entraîne la formation d’un dépôt aciculaire d’hydroxyapatite déficitaire en calcium (CaD-HAP) carbonatée avec la présence éventuelle d’une phase de calcite. Pour de faibles densités de courant (≤ 50 mA/g), un régime d’électrolyse lent de l’eau entraîne la formation d’un dépôt plaquettaire de CaD-HAP carbonatée issu de l’hydrolyse in situ du phosphate octocalcique plaquettaire préalablement précipité. Pour l’ensemble des dépôts, les particules sont constituées d’un coeur de CaD-HAP carbonatée de structure ordonnée et d’une surface hydratée de CaD-HAP carbonatée de structure désordonnée qui résulte de l’existence d’une zone de sursaturation lors de la précipitation des CaP. La sono-électrodéposition se révèle être un procédé versatile capable d’orienter la synthèse des phases de CaP, avec pour une faible densité de courant appliquée l’obtention d’un dépôt biomimétique comparable à la partie minérale du tissu osseux obtenue par le processus d’ostéogénèse naturelle. Des tests de viabilité in vitro réalisés avec des ostéoblastes humains primaires ont montré que la nanoporosité et le caractère hydrophile des TFC n’impactent pas la biocompatibilité et que les paramètres tels que le précurseur des fibres, l’ensimage et/ou la forme lobée des fibres semblent favoriser l’adhésion et la prolifération des cellules. / This work is focused on the synthesis of a novel hybrid biomaterial made of carbon fibers cloth (CFC)/ calcium phosphates (CaP) using the sono-electrochemical technique and the study of the influence of experimental parameters on the chemical composition, microtexture and structure of CaP deposits and on in vitro biocompatibility. Current density is shown to be a crucial parameter. Specifically, at high current densities ((≥ 100 mA/g), the fast water electrolysis rate leads to a needle-like deposit consisting in a major phase of carbonated calcium deficient hydroxyapatite (CaD-HAP) mixed with a calcium carbonate phase. At low current densities (≤ 50 mA/g), the slow water electrolysis rate generates a plate-like carbonated CaD-HAP phase, coming from the in situ hydrolysis of a former octacalcium phosphate phase. Whatever the experimental conditions, particles of the deposits consists in a carbonated CaD-HAP core showing an ordered structure, surrounded by a hydrated and disordered carbonated CaD-HAP surface layer which results of the formation of oversaturated domains during CaP precipitation. Sono-electrodeposition is shown to be a versatile process able to control the nature of CaP phases. Especially, at low current density a biomimetic CaP deposit is obtained, similar to the mineral part of bones produced during natural osteogenesis. In vitro biologic tests using primary human osteoblasts showed that the nano-porosity and hydrophilicity of the carbon fibers do not affect the biocompatibility and that fiber precursor, sizing and lobe shaped fibers seems to favor adhesion and proliferation of human cells.

Ce travail a consisté à optimiser la synthèse de phosphates de calcium (CaP) déposés sur tissus de fibres de carbone (TFC) par procédé de sono-électrodéposition afin d’obtenir des revêtements uniformes. Les paramètres électrochimiques clés optimisés sont le type et la durée de polarisation cathodique ainsi que la température de l’électrolyte. Pour un potentiel constant de -1 V à 70 °C, un régime d’électrolyse contrôlé de l’eau conduit à la formation d’un revêtement plaquettaire d’hydroxyapatite déficitaire en calcium (CDA) carbonatée. Les plaquettes sont composées de particules lamellaires (de quelques dizaines à centaines de nm) constituées de CDA carbonatée de structure ordonnée au coeur et de structure désordonnée car hydratée en surface des particules, organisation typique des apatites biomimétiques. Le matériau hybride a été dopé en strontium, engendrant la formation de revêtements où les ions Ca²+ sont substitués par des ions Sr²+ de manière contrôlée, conférant au biomatériau de nouvelles propriétés en vue d’une application en régénération osseuse. Ce travail a aussi démontré la possibilité d’adsorber de façon sélective des principes actifs ciblés (tétracycline, naproxène, aspirine) dans chaque constituant du matériau hybride. Les courbes de désorption ont mis en évidence deux modes de libération selon le principe actif.Une évaluation biologique des différentes matériaux hybrides a été réalisée. L’étude in vitro a porté sur la viabilité et la prolifération d’ostéoblastes humains en surface des biomatériaux hybrides, démontrant leur biocompatibilité. L’intérêt d’un dopage (Sr²+, aspirine et naproxène) sur l’activité des ostéoblastes a été démontré. Une expérience pilote in vivo a été menée, consistant à créer un défaut osseux dans des fémurs de rats et à étudier l’influence du type de biomatériaux TFC/CaP sur les évolutions quantitative et qualitative de la régénération osseuse. / Optimization of the synthesis of calcium phosphates (CaP) on carbon fiber cloths (TFC) was performed in using sono-electrodeposition process in order to obtain uniform coatings. The electrochemical potential applied and the electrolyte temperature during the synthesis were determined as being key parameters. For a constant potential of -1 V at 70 ° C, a controlled water electrolysis regime results in the deposit of plate-like calcium-deficient apatite (CDA). This plate-like particles (from a few tens to hundreds of nm in length) consist in an ordered structure of carbonated CDA in their core and in a disordered structure in the hydrated surface, a typical organization of biomimetic apatites. The hybrid material was doped with strontium, resulting in a carbonated CDA coating where the Ca²+ ions are controllably substituted by Sr²+ ions, leading to new properties for a bone regeneration application. This work has also shown the possibility of selectively adsorb targeted active molecules (tetracycline, naproxen, aspirin) in each component of the hybrid material. The desorption curves revealed two modes of release depending on the active molecule.A biological evaluation of the different hybrid materials was carried out. The in vitro study investigated the viability and proliferation of human osteoblasts at the surface of hybrid materials, demonstrating their biocompatibility. The interest of a doping (Sr²+, aspirin and naproxen) on osteoblast activity was demonstrated. An in vivo pilot experiment was conducted, through the creation of a bone defect in rat thighbones to study the influence of TFC/CaP biomaterials on the quantitative and qualitative evolutions of bone regeneration.

Il est prévu d’augmenter la durée de vie des centrales nucléaires actuellement opérationnelles. Le vieillissement des structures en béton armé telles que les tours aéroréfrigérantes doit être évalué, son incidence sur la capacité portante calculée. Dans le cas de fortes dégradations, le renforcement doit être envisagé, afin d’assurer la pérennité de ces tours face aux sollicitations extrêmes telles que les tempêtes de vent et les séismes. Ce travail vise à quantifier les effets néfastes que peut générer la réduction de section des aciers induite par la corrosion, en particulier sur la capacité portante des tours dans des conditions de sollicitations extrêmes monotones ou cycliques de types vent et séisme. Ces sollicitations sont certainement les plus sévères, entrainant la structure dans le domaine non linéaire, elles sont susceptibles d’induire des endommagements de type fissuration qui dans le cas de sollicitation cycliques peuvent s’avérer néfastes. Des modélisations numériques sont proposées pour déterminer la réponse quasi-statique ou dynamique de la structure, en tenant compte des apparitions de fissures dans le béton et de leur évolution via des lois de comportement appropriées du matériau béton, ainsi que la plastification des aciers. Dans le cas d’une sollicitation sismique, dans le but de comparer les approches de modélisation du séisme et d’évaluer la robustesse des résultats, les réponses dynamiques sont évaluées par trois méthodes différentes de calcul : l’approche dynamique temporelle non linéaire, la méthode spectrale et la méthode modale temporelle. Des études paramétriques portant sur l’amortissement, les combinaisons de charges et les configurations structurales, sont aussi menées. Dans le cas d’une sollicitation de type vent, la technique de renforcement à l’aide de matériaux composite, tel que le tissu de fibres de carbone (TFC) est modélisée. Le comportement de la structure endommagée présentant un taux de corrosion avancée, est évalué dans le régime pré- et post-fissuration, comparativement à la structure intègre. La perte de capacité portante est quantifiée, un renforcement permettant de restaurer l'intégrité et donc d’augmenter la durée de vie de la structure est proposé. / The authorities have planned to increase the lifetime of currently operating nuclear power plants. The ageing of reinforced concrete structures such as cooling towers should be evaluated and its impact on the bearing capacity calculated. In the case of significant damage, the strengthening must be considered to ensure the sustainability of these towers facing the risk of storms and earthquakes becoming more and more frequent. This work aims to quantify the adverse effects that can generate concrete cracks and rebar section loss induced by corrosion, especially on the bearing capacity of nuclear power plant cooling towers under monotonic or cyclic extreme load conditions (wind and earthquake). These loads are certainly the most severe, since they take the structure into the nonlinear domain and can induce or amplify cracking damage. Numerical simulations are proposed to determine the quasi-static or dynamic response of the structure, taking into account appearance of concrete cracks and their evolution via an appropriate material concrete law and rebar's yielding. In the case of a seismic load, the responses are evaluated by three different methods; the nonlinear response history analysis (NLRHA), the response spectrum analysis and the modal response history analysis (MRHA) in order to compare the earthquake modeling approaches and to evaluate the robustness of the results. Parametric studies on damping, load combinations and structural configurations, are also performed. In the case of a wind load, the strengthening technique using composite materials, such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is modeled. The behavior of the damaged structure with an advanced corrosion rate is estimated in the pre- and post-cracking regime, compared to the undamaged structure. The drop of bearing capacity is quantified, a reinforcement designed is proposed to restore the integrity and thus increase the lifetime of the structure.