Élaboration de prothèses dentaires par fabrication additive indirecte combinant stéréolithographie et gel casting

Pierre Grimaud a soutenu sa thèse intitulée « Élaboration de prothèses dentaires par fabrication additive indirecte combinant stéréolithographie et gel casting » en janvier 2024.

Cette thèse, débutée en octobre 2020, a été financée par la CAMVS et le CRIBC.

Titre :

« Élaboration de prothèses dentaires par fabrication additive indirecte combinant stéréolithographie et gel casting »

Résumé :

La perte d’une ou plusieurs dents est un événement médical grave qui peut entraîner chez certains patients une perturbation ou une disparition de certaines fonctions telles que la mastication, la phonation ou la déglutition. Le rétablissement de ces fonctions passe notamment par l’utilisation d’équipements médicaux tels que les prothèses dentaires. Aujourd’hui, la très grande majorité de ces prothèses est fabriquée par usinage contrôlé par ordinateur de disques préfrittés en matériaux céramiques. C’est un procédé avec un faible coût unitaire, ainsi qu’une rapidité et une simplicité d’exécution. Il présente cependant certains inconvénients tels que le risque de dommages sur les pièces pendant l’usinage ou l’impossibilité de travailler avec certaines géométries. Pour pallier ces limitations, de nombreux procédés alternatifs ont été imaginés et utilisés, notamment les techniques additives avec la stéréolithographie et le frittage sélectif par LASER, par exemple. Ces procédés sont cependant peu ou pas utilisés industriellement, car les équipements sont plus coûteux et onéreux que ceux déjà utilisés, et ce procédé nécessite en outre beaucoup de post-traitements.

Dans ce contexte, il semble intéressant d’explorer de nouvelles voies pour la mise en forme de prothèse dentaire. C’est pourquoi, les travaux de cette thèse s’orientent sur la fabrication additive indirecte polymère couplée avec une technique de mise de matériaux céramiques en moule non poreux, le gel casting. C’est un procédé d’élaboration de pièces de géométries complexes développé initialement pour contrer les limitations d’autres procédés de mise en forme tels que le moulage par injection ou l’usinage. Ce procédé est très versatile que ce soit au niveau de sa compatibilité avec les différentes classes de matériaux (céramique et métaux), mais aussi avec les différentes techniques de fabrication de moule. En pratique, le gel casting repose sur l’élaboration d’une suspension en milieu aqueux en présence d’un dispersant et d’un gélifiant. La suspension est versée dans un moule de coulée où la gélification forme un réseau tridimensionnel ou autrement dit, un gel qui assure la prise de la suspension à l’intérieur du moule. La pièce désirée est obtenue après séchage et démoulage, tandis qu’un traitement thermique permet finalement d’assurer sa densification.

Les différents travaux dans cette thèse s’orientent donc tout d’abord sur l’étude des différentes formulations permettant la mise en forme de pièces complexes à partir d’agents gélifiants biosourcés. Deux ont été retenus : l’agarose qui est un polysaccharide issu d’algues rouges et l’alginate de sodium qui est un polysaccharide issu d’algues brunes. Ces deux produits gélifiants possèdent des mécanismes de gélification différents : l’agarose a un mécanisme thermiquement activé, tandis que l’alginate possède un mécanisme chimiquement activé. Ces différences rendent la comparaison entre les deux intéressante même si les deux formulations permettent l’obtention de pièces complexe s’apparentant à des prothèses dentaires. D’un point de vue pratique, l’étude des mécanismes de gélification a permis dans un premier temps la mise au point de différents procédés de mise en forme par gel casting. L’alginate, qui possède un mécanisme plus adaptable que l’agarose, a ainsi permis l’étude de trois techniques d’élaboration. Toutes n’ont pas permis l’obtention de pièces, mais une optimisation des méthodes les plus intéressantes a permis la mise en forme de différents objets de forme diverse. Ces objets permettent dans un second temps d’effectuer des caractérisations physico-chimiques. La chimie des pièces n’a montré aucune anomalie cependant, les propriétés mécaniques de l’ensemble des pièces obtenues sont inférieures aux normes de l’industrie dentaire, rendant difficile une utilisation de ces procédés pour ce secteur. Cependant, l’ensemble de ces résultats démontre l’intérêt du couplage de la fabrication additive indirecte (stéréolithographie polymère) et du gel casting.

Enfin, dans un troisième temps, des études ont été menées sur la modification chimique de l’agarose. Elles ont été réalisées dans le but d’améliorer le procédé de gel casting en réduisant la viscosité des mélanges coulables et en nous permettant d’augmenter la teneur en solide de ces mélanges. Ainsi, une synthèse organique a permis l’obtention de succinate d’agarose. Ces molécules ont un degré de substitution compris entre 10% et 60%. Il a été anticipé que ces modifications auraient un impact sur le comportement des molécules en milieux aqueux. Ainsi, en parallèle de la synthèse, des études visant à mettre en évidence des changements du mécanisme de gélification ou de la conformation entre l’agarose brute et les succinates d’agarose ont été réalisées. Ces études démontrent une perte des propriétés gélifiantes des agaroses modifiées. Cette altération est probablement due à un changement de conformation. Ceci rend inaptes les différentes agaroses modifiées entre 10 et 60% pour du gel casting et ne nous ont donc pas permis d’améliorer nos procédés de mise en forme de pièces céramiques.