Cancers, traumatismes, maladies chroniques peuvent nécessiter un besoin de réparation osseuse et l'utilisation d'implants médicaux bioactifs personnalisés. Les surfaces bioactives représentent une avancée majeure pour la santé en améliorant l'intégration et la régénération osseuse. Le soudage par ultrasons (US) offre un potentiel pour le développement d'implants de forme complexe et personnalisable avec des matériaux bioactifs et multifonctionnels. Les thermoplastiques hautes performances (PAEK) sont utilisés comme biomatériau pour leurs caractéristiques techniques (biocompatible, stérilisable, propriétés mécaniques proches de celles de l'os). Cependant, ils sont bioinertes et peuvent évoluer vers bioactifs par un traitement de surface adapté en modifiant chimiquement la mouillabilité et la topographie du matériau. La soudure, située à l'interface, dépend de la nature, de l'état de surface des pièces en contact. Quel est l'effet du traitement de surface sur la qualité de la soudure ?

L'objectif du projet est de répondre aux besoins dans le domaine de la santé en biomatériaux stimulant l'ostéointégration. Ceux-ci seront utilisés pour la fabrication d'implants bioactifs personnalisables. Ces implants de géométrie complexe et de dimensions variées peuvent nécessiter l'assemblage de matériaux de nature différente.

Le 1er objectif de ce projet de recherche est, tout d'abord, de modifier la surface de polyaryléthercétones (PAEK), PEEK et PEKK, et de la faire passer de bioinerte à bioactive par sulfonation en définissant un protocole donnant des résultats répétables sans contamination par l'acide utilisé. L'étude de l'impact de la modification de la surface par traitement chimique sur la mouillabilité par l'introduction de fonctions acide sulfonique (-SO3H) et sur la topographie par la génération de microporosités ouvertes permettra de déterminer l'influence des conditions employées.

Le 2ème objectif est de comprendre l'influence de l'état de surface sur la qualité de la soudure faite par US. La présence de fonctions -SO3H sur les chaînes polymères en surface du SPAEK (PAEK sulfoné) qui présentent un caractère hydrophile et impacte leur mobilité et surement leur capacité à cristalliser combinée à la topographie particulière de la surface en contact avec le PAEK hydrophobe influenceront l'interphase formée lors de l'interdiffusion des macromolécules à l'état fondu et sa solidification accompagnée de cristallisation lors de son refroidissement.

Le 3ème objectif concerne la modélisation numérique des phénomènes thermomécaniques du procédé d'assemblage en parallèle du travail expérimental, pour étudier la faisabilité et optimiser les paramètres opératoires (pression, durée, amplitude des ultrasons).

Ces étapes visent à améliorer la performance des implants en PAEK en termes d'adhésion cellulaire, d'intégration osseuse et de résistance mécanique en optimisant le procédé d'assemblage par ultrasons pour des implants plus personnalisables et durables.
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Cancers, trauma, and chronic diseases may require bone repair and the use of personalized bioactive medical implants. Bioactive surfaces represent a major advancement in healthcare by enhancing bone integration and regeneration. Ultrasonic welding offers potential for developing implants with complex and customizable shapes using bioactive and multifunctional materials.



High-performance thermoplastics (PAEK) are used as biomaterials due to their technical properties (biocompatibility, sterilizability, and mechanical properties similar to those of bone). However, they are bioinert and can be made bioactive through appropriate surface treatment, chemically modifying the material's wettability and topography. The weld, located at the interface, depends on the nature and surface state of the contacting parts. What is the effect of surface treatment on weld quality?



The project's goal is to address healthcare needs by developing biomaterials that stimulate osseointegration. These materials will be used to manufacture customizable bioactive implants. These implants, with complex geometries and varying dimensions, may require the assembly of different materials.



The first objective of this research project is to modify the surface of polyaryletherketones (PAEK), specifically PEEK and PEKK, and transition them from bioinert to bioactive through sulfonation. This will involve establishing a protocol that ensures repeatable results without contamination from the acid used. Studying the impact of surface modification through chemical treatment on wettability—by introducing sulfonic acid (-SO3H) functional groups—and on topography—by generating open microporosities—will help determine the influence of the applied conditions.



The second objective is to understand the influence of surface state on the quality of ultrasonic welds. The presence of -SO3H functional groups on the polymer chains of sulfonated PAEK (SPAEK), which exhibit hydrophilic behavior, may affect their mobility and crystallization ability. Combined with the unique topography of the surface in contact with hydrophobic PAEK, this could influence the interphase formed during macromolecular interdiffusion in the molten state and its solidification accompanied by crystallization upon cooling.



The third objective concerns the numerical modeling of the thermomechanical phenomena involved in the assembly process, in parallel with experimental work, to assess feasibility and optimize operational parameters (pressure, duration, and ultrasonic amplitude).



These steps aim to enhance the performance of PAEK implants in terms of cellular adhesion, bone integration, and mechanical resistance by optimizing the ultrasonic assembly process for more customizable and durable implants.
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Début de la thèse : 01/09/2025

Funding category:

Financement d'un établissement public Français