Le CRITT MATÉRIAUX INNOVATION est impliqué en permanence, en tant que porteur ou participant, à une dizaine de projets collaboratifs de R&D ou de diffusion technologique.
C’est une de ses missions essentielles, qui lui permet de ressourcer en permanence ses équipes, d’être actif et reconnu dans les réseaux scientifiques européens et de proposer des solutions innovantes à ses clients industriels.
Le CRITT MATÉRIAUX INNOVATION est impliqué en permanence, en tant que porteur ou participant, à une dizaine de projets collaboratifs de R&D ou de diffusion technologique.
C’est une de ses missions essentielles, qui lui permet de ressourcer en permanence ses équipes, d’être actif et reconnu dans les réseaux scientifiques européens et de proposer des solutions innovantes à ses clients industriels.
Le projet MATREX nous a permis de mettre en évidence des performances intéressantes de certains matériaux qui pourraient être des alternatives pour la fabrication d’outillages de mise en forme, notamment pour des moules verriers et de forge ainsi que des pièces d’usure à chaud pour le secteur de l’énergie.
Les séries d’essais de laboratoire réalisées à travers différentes techniques et méthodes ont été croisées et cela a permis de faire une sélection de matériaux ou de méthodes d’élaboration de matériaux prometteurs. Les détails de ces méthodes et matériaux sélectionnés seront disponibles dans les conclusions du projet MATREX.
À travers le projet MATREX et les retours des professionnels du verre, de la forge, de la fonderie et l’énergie, il ressort deux problématiques prépondérantes:
La lubrification des moules est une étape importante pour la préservation de la durée de vie de ces derniers. Cependant, cette étape de lubrification est parfois à l’origine de conséquences néfastes pour l’environnement et l’industrie.
En effet, la présence de certains composants des lubrifiants est de moins en moins désirée en milieu industriel en raison de leur relative nocivité pour l’environnement.
Aussi, le nettoyage et l’entretien des moules pour retirer les résidus de lubrifiant sont assez contraignants.
C’est à ce titre qu’un grand nombre d’industriels ont la volonté, à long terme, de réduire voire d’éliminer les lubrifiants lors de l’étape de mise en forme des verres.
Des réflexions sur des demandes de la modification de la composition de certains lubrifiants, en respect de la réglementation REACH, sont souvent menées dans le milieu industriel. Cependant, la modification de la structure ou de la composition des lubrifiants n’est pas sans conséquences sur leurs performances.
Combinés à cet intérêt, il y a aussi pour les industriels d’une part l’enjeu du suivi en temps réel de l’endommagement de leur outillages afin d’optimiser le flux de produits finis et d’éviter les produit défectueux, et d’autre part la volonté de trouver des moyens efficaces de nettoyage/décapage des moules.
Il existe par ailleurs une volonté de mettre à disposition des professionnels des outillages à chaud, des outils de diagnostic leur permettant de faire des prédictions sur la durée de vie de leurs matériels.
Les pièces d’usures pour haute température et/ou haute énergie (réfractaires, céramiques, etc.…) font face à des problématiques similaires à celles des moules et outillages des verriers et des forgerons. Le relatif empirisme de définition/calcul des nuances mises en forme et de l’optimisation matière (forme-design) conduisent à des durées de vie réduites des pièces et outillages, donc des coûts de maintenance et une reproductibilité aléatoire. De plus, la problématique du recyclage-valorisation est souvent négligée, voire non prise en compte. Il est certain qu’avec la notion d’assemblage de plusieurs matériaux, ce point devient un facteur clé de succès du choix de tel ou tel matériau (métallique, céramique, composite,………).
C’est dans ce contexte que le présent projet de recherche est mis en œuvre. Face à toutes ces problématiques, le consortium de CRTs initial du projet Matrex auquel s’ajoute un nouveau CRT tentera d’apporter des propositions de solutions et des méthodologies de travail transférables à l’échelle industrielle à l’issue de ce nouveau programme Matrex 2.
De nos jours les patients touchés par des traumatismes du tissu osseux doivent composer avec les difficultés inhérentes à la reconstruction de ce tissu biologique, menant à des temps d’hospitalisations souvent longs et coûteux. Une régénération osseuse rapide et efficace est donc un paramètre essentiel à considérer pour rendre aux patients leur autonomie et leur mobilité, notamment en restaurant leur capacité à marcher. Il y a chaque année dans le monde 2,2 millions d’interventions chirurgicales concernant des sites osseux. Plus de 25000 substituts osseux synthétiques ont été implantés en France en 2011 (8% d’augmentation par rapport à 2010) pour un montant de 6 millions d’euros.
Dans ce contexte, un précédent projet (BiomateriOs) nous a permis d’accéder à des structures poreuses et biocompatibles composées d’hydroxyapatite commerciale. Grâce à l’utilisation de céramiques et/ou verres bioactifs, ostéo-conducteurs/inducteurs, ces architectures optimisées pour la régénération osseuse présentent une double porosité et une solubilité contrôlée, pour éviter le recours à l’autogreffe, limitant ainsi douleur et morbidité accrue pour le patient.
Ce nouveau projet OptimOs s’inscrit dans la même philosophie et vise à optimiser la composition des structures produites afin d’accéder à de nouvelles propriétés biologiques, en utilisant notamment différentes phases de phosphates de calcium et/ou la substitution ionique. L’accent sera de plus porté sur la mise en forme du produit fini sous forme de blocs sécables ou capables d’être assemblés en trois dimensions. Ceci permettra aux praticiens d’adapter au plus proche la géométrie de la construction à celle de la zone à combler tout en ayant le choix d’utiliser des matériaux adaptés à certaines conditions telles que des sites inflammatoires ou potentiellement infectés.
A plus long terme, un de nos objectifs est également de proposer une nouvelle voie de valorisation de la technologie PIM (Powder Injection Moulding) qui se développe actuellement dans le monde entier. Plus précisément, si les mousses céramiques sont régulièrement requises par les praticiens pour le comblement osseux, particulièrement pour les grands défauts, elles sont difficiles à produire et plus encore à mettre en forme. Le PIM promet ainsi une réelle rupture technologique pour la réalisation de matériaux destinés au marché médical offrant un fort potentiel de valorisation pour les structures destinées au comblement osseux.
L’objectif du projet collaboratif PRACORMat-II est de développer collectivement des solutions technologiques innovantes et performantes de fonctionnalisation des surfaces en vue de les proposer, dans une phase ultérieure de développement, aux industriels des réseaux des CRTs partenaires. Ces solutions adressent, de façon plus fine, les problématiques déjà abordées dans le précédent projet PRACORMat (volet développement de surfaces conductrices par métallisation durable des matériaux diélectriques pour les marchés de l’énergie, le transport, la connectique, le luxe) mais pas seulement.
Elles sont élargies aux problématiques des surfaces des matériaux biocompatibles notamment ceux des dispositifs médicaux (antimicrobiennes, bioactives).
L’autre objectif est de créer une équipe mixte des CRTs Grand Est multi-experte, spécialisée dans des domaines complémentaires des Surfaces & Interfaces, où chaque CRT apportera sa brique technologique et son expertise propres à la fonctionnalisation de surface ciblée.
Chaque année en France, plus de 40 000 prothèses de genou sont implantées.
Les nombreux progrès technologiques réalisés depuis 1970 ont permis d’atteindre un taux de survie des prothèses articulaires élevé. Néanmoins, quelques complications demeurent. Les descellements aseptiques sont les plus fréquents et correspondent à 60% des opérations de reprise. Ils sont majoritairement dus aux débris d’usure générés lors du frottement d’un composant articulaire avec son antagoniste. La grande majorité des prothèses de genou est constituée d’un couple de matériaux métal/polyéthylène. Dans ce cas, le principal écueil réside dans l’usure du composant polymère. La migration de ces débris dans l’espace péri-prothétique entraîne une réaction inflammatoire conduisant à une ostéolyse (destruction de l’os) avec risque de descellement de l’implant. Ainsi, le renforcement de la résistance à l’usure reste un défi majeur pour les composants prothétiques qui prennent part au remplacement des articulations.
Des traitements tels que la réticulation des éléments en polymère permettent d’améliorer la résistance à l’usure des prothèses. D’autres traitements tels que le SMAT (Surface Mechanical Attrition Treatment), un traitement mécanique de nanocristallisation superficielle des matériaux, est employé sur des matériaux métalliques afin d’améliorer leur résistance à l’usure. Ce sujet était l’objet du projet NanoTribo mené par le CRITT MATÉRIAUX INNOVATION en collaboration avec l’UTT (Université de Technologie de Troyes) et l’URCA (Université de Reims Champagne-Ardenne), qui a prouvé une amélioration notable de la résistance à l’usure des alliages de cobalt-chrome-molybdène SMATés.
Suite aux résultats prometteurs du projet NanoTribo, le projet SMILE a été initié par le CRITT MATÉRIAUX INNOVATION avec pour vocation de mettre en évidence et de caractériser les effets du traitement SMAT sur les inserts tibiaux en polyéthylène UHMWPE (Ultra High Molecular Weight PolyEthylene) des prothèses de genou quant à leur résistance à l’usure.
Aussi, l’idée du projet SMILE est de valoriser la nature semi-cristalline du polyéthylène. Le traitement SMAT est en effet susceptible de modifier la microstructure du UHMWPE en provoquant un réagencement des phases amorphes et des lamelles cristallines : ce réagencement pourrait ainsi accroître la résistance à l’usure des inserts tibiaux. A travers le projet SMILE, l’objectif du CRITT MATÉRIAUX INNOVATION est ainsi d’évaluer les propriétés de résistance à l’usure de pièces en polyéthylène SMATées, la finalité du projet étant de tester selon la norme NF ISO 14243-3 l’usure de prothèses de genou dont l’insert PE aura été SMATé et de la comparer avec l’usure générée sur des inserts non SMATés.
Avec le vieillissement des populations, le besoin en matériaux de comblement osseux augmente constamment. Les défauts critiques osseux sont notamment particulièrement difficiles à appréhender pour la médecine régénérative. À ce jour, il n’y a pas de matériau capable de promouvoir et/ou stimuler la croissance tissulaire dans de tels contextes. Les substituts osseux de synthèse actuels ont une faible capacité à stimuler la formation de néo-tissu, à limiter les risques infectieux et peuvent induire une inflammation délétère pour la pérennité de l’implant.
Egalement, la nature même des substituts céramiques les rend cassants et à ergonomie limitée (sites anatomiques variés : accès, géométrie et sollicitations mécaniques). Le dopage ionique de biocéramiques poreuses à base de phosphates de calcium (CaP) pourrait être utilisé pour pallier les premières difficultés citées, à l’aide respectivement, du strontium (Sr), du cuivre (Cu) et du zinc (Zn), alors que le recours à un substitut osseux céramique emboitable ou sécable comme à un polymère chargé de phosphate de calcium à mémoire de forme biosourcé pourrait permettre de passer outre la seconde limitation.
Ainsi, notre programme PIMyBone vise à développer, caractériser sur les plans physico-chimiques et mécaniques, et à évaluer biologiquement (in vitro et in vivo) deux solutions thérapeutiques via des structures macroporeuses soit céramiques soit hybrides céramiques/polymère à mémoire de forme.
Ces structures tridimensionnelles seront mises en forme par le même procédé PIM (Powder Injection Moulding) optimisé via un outillage issu de fabrication additive, afin d’obtenir des géométries complexes à multiples niveaux de porosité pour permettre une utilisation dans toute indication thérapeutique et quelle que soit la géométrie du défaut osseux.
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