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Equipements de production & Techniques de fabrication > Métrologie et contrôle

L’indentation instrumentée au service de la caractérisation de biomatériaux

Publié le 17 mars 2020 par Patrick RENARD
Source : Anton Paar
Nanoindentateur NHT3

Récemment introduite en biomédecine, la technique de nanoindentation est adaptée au test de petits échantillons de matériaux biomédicaux. Elle permet notamment de caractériser des os, des dents, des tissus cardiaques ou encore des lentilles de contact.

La caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux biomédicaux devient incontournable. Pour de nombreux biomatériaux, les propriétés mécaniques doivent être étudiées très localement. De plus, la recherche préclinique se fait très souvent sur de petits animaux tels que des rats ou des souris. Les techniques de mesure doivent donc être suffisamment locales pour pouvoir également tester des échantillons aussi petits.

C’est tout l’intérêt de la nanoindentation, utilisée dans le domaine biomédical depuis environ deux décennies.

Plusieurs chercheurs ont utilisé cette méthode pour étudier les effets de l'arthrose ou de différents régimes alimentaires sur les propriétés mécaniques de l'os. Elle offre une caractérisation locale de différentes régions osseuses par rapport aux tests de traction ou de compression qui caractérisent l'ensemble de la structure. Le caractère local de l'indentation est extrêmement important dans l'étude des effets des traitements médicaux ou des lésions car ces traitements entraînent souvent des changements très locaux de rigidité du matériel biologique.

Comme on peut le constater avec les exemples suivants, les progrès de l'instrumentation et de la méthodologie d'essai permettent désormais de tester la dureté et le module élastique des biomatériaux, qu’ils soient durs ou mous.

Effet du traitement médical des os de bovins sur leurs propriétés mécaniques

La capacité de déterminer les effets d'un traitement médical nécessite une bonne connaissance des propriétés d'une structure osseuse saine. Par conséquent, en plus des tests sur les os traités, des tests similaires sur des os sains doivent être effectués. En outre, le volume du matériau impliqué dans la réponse d'indentation doit représenter l'unité structurelle pertinente où les effets du traitement peuvent être observés. A titre d’exemple, l'épiphyse bovine (extrémité arrondie d'un os long au niveau de son articulation avec l'os adjacent) a été soumise à trois traitements différents. Des expériences d’indentation avec le Nanoindenteur NHT3 d’Anton Paar sous une charge de 400 mN ont été effectuées dans plusieurs zones sur chaque os, chaque zone ayant un traitement différent. Les valeurs du module élastique et de la dureté obtenues à partir des données d'indentation ont clairement montré les différences entre les traitements et leur efficacité a donc pu être facilement évaluée.

Fabricant allemand d’instruments de laboratoire de haute précision, Anton Paar propose notamment des appareils d’indentation instrumentée qui s’adaptent à presque n'importe quel type de matériaux : visqueux, dur, cassant, ductile. Hormis la caractérisation de dureté et de module d’élasticité les utilisateurs peuvent effectuer des études de fluage, de fatigue et de contrainte-déformation sur des surfaces dans la plage nanométrique.

Parmi les modèles proposés, le Nanoindentateur NHT3 se distingue par sa polyvalence avec une plage de force de 0,1 mN à 500 mN et un rendement élevé (jusqu'à 600 mesures par heure).

Evolution des propriétés mécaniques de l'émail des dents traitées

L'émail dentaire est un autre matériau étudié par nanoindentation. Les traitements de cet émail influencent non seulement les propriétés de la surface, mais aussi le matériau sous la surface traitée. Ceci est dû aux changements morphologiques et chimiques induits dans l'émail dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 2 mm. Ces traitements modifient généralement la composition de l'émail ce qui entraîne une modification des propriétés mécaniques de la dent sous la surface (de quelques µm à quelques centaines de µm, selon le traitement appliqué). L'analyse de l'évolution des propriétés mécaniques sous la surface traitée présente un grand intérêt pour la quantification des effets des traitements dentaires, par exemple dans le domaine de la prévention des caries ou pour soigner des lésions carieuses précoces. Le mode dynamique du nanoindenteur NHT 3 d’Anton Paar permet d’obtenir cette évolution dans le matériau.

Effet de l'échafaudage sur la régénération du cartilage du fémur animal avec lésion

Bien que la nanoindentation des biomatériaux durs ou des matériaux biologiques représente une grande partie des essais mécaniques locaux, il existe un nombre croissant d'applications où des matériaux beaucoup plus mous doivent être mesurés. Ces matériaux peuvent avoir des modules élastiques bien inférieurs à 10 MPa et doivent souvent être maintenus dans un fluide. De plus, leurs surfaces peuvent être inégales et ne peuvent pas être préparées par des méthodes standard telles que la coupe ou le polissage. Un exemple typique est le cartilage articulaire. Des recherches approfondies ont récemment été menées pour étudier la régénération du cartilage du fémur de chèvre à l’aide d’échafaudage comblant les lésions. Les animaux ont continué à vivre pendant encore cinq mois. Après cette période, ils ont été sacrifiés et toute l'articulation du fémur a été extraite.

Des tests ont été effectués avec le Bioindenteur (UNHT³ Bio) d’Anton Paar, conçu pour la nanoindentation sur matériaux biologiques mous. Ces tests ont montré des différences de module élastique entre le cartilage sain et régénéré : le module élastique du cartilage sain était environ sept fois plus élevé que celui du cartilage régénéré. Ces résultats montrent ainsi la lente régénération du cartilage même avec la présence d'échafaudages : cinq mois après la lésion, le cartilage régénérant n'était encore qu'à environ 10 % de sa rigidité initiale. (environ 0,5 MPa pour le cartilage du fémur de chèvre).

Caractérisation mécanique des lentilles de contact

Les lentilles de contact souples sont utilisées par de nombreuses personnes dans la vie quotidienne en raison de leur application simple et de leur faible coût. Leur rigidité (représentée par le module élastique) et éventuellement le fluage des différentes lentilles de contact peuvent varier considérablement en fonction du type de matériau utilisé. Le choix du matériau est influencé par les propriétés optiques, le confort de port ou la durée d'utilisation de la lentille.

Caractérisation de tissus cardiaques
Des recherches plus récentes permettent une caractérisation approfondie des propriétés mécaniques de tissus cardiaques à l’aide du Bioindenteur UNHT³ Bio.

L’objectif premier de ces recherches est la conception d’implants individuels en tissus artificiels et le remodelage de différents organes.

[Source des illustrations : Anton Paar]


www.anton-paar.com

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