Critical aspects of Titanium-based Bulk Metallic Glasses for biomedical applications : An investigation on casting defects and corrosion sensitivity
Aspect critique des verres métalliques base Ti pour les applications biomédicales : Enquête sur les défauts de coulée et sur la sensibilité à la corrosion
Résumé
A large majority of dental implants are currently made of Titanium and it alloys. Those dental implants exhibit very good properties and show excellent clinical outputs, although they have now reached a plateau in terms of mechanical and corrosion resistance properties. There is a trend today to decrease the size of implants to preserve the bone stock, but also to get rid of the potential harmful elements and accelerate the bone reconstruction around the implant. Titanium based amorphous alloys have been describes in literature as very promising biomaterials, with potentially very high mechanical strength and corrosion properties. However, there are still no metallic glass medical devices on the market. Within this PhD work, the case of Ti40Cu36Zr10Pd14 BMG has been investigated as one of the most promising material to manufacture minimally invasive dental implants. Here we focus on two major drawbacks, hardly mentioned in the literature. First, its resistance to corrosion is limited. Second, during its manufacture (by copper mold suction casting) spherical crystalline defects (often referred as spherulites) appear and may severely compromise its tensile strength. The first part of the manuscript focuses on the impact of those spherulites on mechanical properties and corrosion resistance. The second part deals with the identification of the nucleation/growth mechanism of these spherulites. The third part deals with the influence of casting parameters on the appearance of these spherulites and the lack of manufacturing process reliability. Finally, a last more explorative part focuses on the master alloy of Ti40Cu36Zr10Pd14 grade and the interest of modifying the atomic distribution to overcome the two major drawbacks mentioned above.
Une grande majorité des implants dentaires sont actuellement fabriqués en titane et ses alliages. Ces implants dentaires présentent de très bonnes propriétés et présentent d'excellents résultats cliniques, bien qu'ils aient maintenant atteint un plateau en termes de propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion. La tendance actuelle est de diminuer la taille des implants pour préserver le capital osseux des patiens, mais aussi pour se débarrasser des éléments potentiellement nocifs et d'accélérer la reconstruction osseuse autour de l'implant. Les alliages amorphes à base de titane ont été décrits dans la littérature comme des biomatériaux très prometteurs, avec des propriétés de résistance mécanique et des propriétés de corrosion très élevées. Cependant, il n'existe pas encore de dispositifs médicaux en verre métallique sur le marché des dispositifs médicaux implantables... Dans le cadre de ce travail de thèse, le cas du Ti40Cu36Zr10Pd14 BMG a été étudié comme l'un des matériaux les plus prometteurs pour la fabrication d'implants dentaires pour fabriquer des implants dentaires peu invasifs. Nous nous concentrons ici sur deux inconvénients majeurs, peu mentionnés dans la littérature. Premièrement, sa résistance à la corrosion est limitée. Deuxièmement, pendant sa fabrication (en coulée par succion dans un moule en cuivre), des défauts cristallins sphériques (souvent appelés sphérulites) apparaissent et peuvent compromettre gravement sa résistance à la traction. La première partie du manuscrit se concentre sur l'impact de ces sphérulites sur les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion. La deuxième partie traite l'identification du mécanisme de nucléation/croissance de ces sphérulites. La troisième partie traite de l'influence des paramètres de coulée sur l'apparition de ces sphérulites et le manque de fiabilité du procédé de fabrication. Enfin, une dernière partie plus exploratoire se concentre sur l'alliage mère de la nuance Ti40Cu36Zr10Pd14 et l'intérêt de modifier la composition atomique pour surmonter les deux inconvénients majeurs mentionnés ci-dessus.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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