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Caravaca, Carlos Francisco. Modified functional surfaces for increased biointegration : Surface chemistry, mechanical integrity and long-term stability of zirconia and alumina based ceramics [en ligne]. Thèse. Villeurbanne : Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 2016. Disponible sur : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2016LYSEI080/these.pdf


Domaine(s) : D17 - Matériaux
Indice Dewey : 620.143 072
Langue : Anglais
Mots-clés : Céramique technique, Application biomédicale, Prothèse de la hanche, Biocompatibilité, Traitement de surface, Ostéointégration, Technical ceramics, Alumina, Zirconia, Biomedical application, Hip prosthesis, Biocompatibility, Surface treatment, Osseointegration



Directeur(s) de thèse : Chevalier, Jérôme ; Gremillard, Laurent
Etablissement de soutenance : INSA de Lyon
Etablissement de co-tutelle : Université de Lyon - 2015-...., Ecole Doctorale Matériaux de Lyon - Villeurbanne
Laboratoire : Université de Lyon - 2015-...., Ecole Doctorale Matériaux de Lyon - Villeurbanne, Institut national des sciences appliquées de Lyon - Lyon, MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science, Ecole(s) Doctorale(s) : Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne), Partenaire(s) de recherche : Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription), MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science (Laboratoire), Matériaux- ingénierie et sciences [Villeurbanne] / MATEIS (Laboratoire), Autre(s) contribution(s) : Anne Leriche (Président du jury) ; Jérôme Chevalier, Laurent Gremillard, Anne Leriche, Marc Anglada, Emmanuelle Laurenceau, Pedro Miranda, Alessandro Alan Porporati (Membre(s) du jury) ; Anne Leriche, Marc Anglada (Rapporteur(s))
Numéro national de thèse : 2016LYSEI080
Date de soutenance : 2016

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Résumé français : Les céramiques bioinertes (zircone, alumine), sont utilisées dans des dispositifs médicaux pour l orthopédie et l odontologie. Leurs surfaces peuvent avoir plusieurs fonctions : fixation du dispositif dans le milieu vivant (ex : implants dentaires), rôle tribologique (prothèses articulaires) Dans tous les cas, ces surfaces sont traitées pour maximiser leur performance, mais ces modifications peuvent entrainer des conséquences négatives. Ainsi, le 2e chapitre montre qu introduire de la rugosité par sablage joue sur l intégrité mécanique et sur la stabilité à long terme de l alumine, de la zircone et d un composite alumine-zircone. Par ailleurs, dans les prothèses articulaires, la lubrification joue un rôle fondamental pour minimiser l usure et donc augmenter la durée de vie moyenne des implants, permettant en outre de favoriser l adsorption de protéines réduisant le contact direct entre les deux surfaces glissantes. La chimie des surfaces (y compris la présence de contamination) peut modifier ces aspects. Dans le 3e chapitre de ma thèse j ai étudié l effet de la contamination et des différentes techniques de nettoyage permettant de la réduire sur la mouillabilité des matériaux typiquement utilisés dans les prothèses de hanche, et sur l adsorption de protéines à leurs surfaces. Finalement, les cellules utilisent les protéines en surface comme points de fixation et identification. Les implants avec une surface capable de recruter plus de protéines aidant à l adhésion des cellules auront plus des chances d être intégrés que des implants recrutant des protéines qui empêchent l adhésion. Dans le 4e chapitre, j ai exploré un nouveau concept de modification de surface de la zircone consistant en un greffage d organosilanes directement sur sa surface, de manière à prouver le potentiel de cette technique à améliorer l ostéointegration sans diminuer la performance mécanique.


English abstract : Bioinert ceramics (zirconia, alumina) are used in medical devices in orthopedics and dentistry. Their surfaces may provide different functions: fixation of the device in the living tissue (e.g. dental implants), tribological role(joint substitutions), In all cases the surfaces are treated to maximize their performance, but this modifications may entail negative consequences. The use of roughness to promote osseointegration of implants is a common practice, especially on dental implants. Roughening is often conducted by mechanical treatments, the most common being sandblasting. Therefore, chapter 2 focus on the implications of roughening by sandblasting on the mechanical behaviour of zirconia, alumina and a zirconia-alumina composite, and the differences between them. The work brought in chapter 3 was carried out entirely during a six-month secondment at CeramTec GmbH. In a bearing couple, lubrication mechanisms are complex and wettability and proteins play a yet-to understand role. The study compared the wettability of different materials, their ability to welcome protein adsorption and the effect of different cleaning procedures on wettability measurements and protein adsorption. Finally, the influence of the surface on cell activity is not driven exclusively by roughness: chemical modifications of the surface may enhance the perception of cells for the surface, and by careful tuning of the surface properties one may achieve a better integration without the downsides of roughness. In chapter 4, we explored a novel modification of zirconia, based on known techniques in chemistry, which introduces molecules with special functional groups capable of rendering the surface friendlier for cell adhesion, and opening the window for new exciting developments in the field of bioinert ceramics.