Nouveaux alliages de titane superélastiques pour la fabrication de limes endodontiques : du matériau au prototype - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2016

New superelastic titanium alloys for the manufacture of endodontic files : from material to prototype

Nouveaux alliages de titane superélastiques pour la fabrication de limes endodontiques : du matériau au prototype

Lorène Héraud

Résumé

The NiTi (Nitinol) is the only alloy used for the manufacture of medical devices that require a shape memory effect or superelasticity, such as orthodontic arch wires, stents, catheters and osteosynthesis staples. The superelasticity is the ability of an alloy to deform reversibly much more than a conventional alloy. This is due to a reversible stress induced martensitic transformation between two crystallographic phases: austenite and martensite. NiTi is widely used in the manufacture of endodontic files, a medical device used in dentistry. The endodontic files are used to shape the root canal system and the superelasticity of the tool is necessary to follow very bent root canals. However, the use of NiTi suffers from several drawbacks, including the recognized toxicity of nickel but also its brittle character and its difficulty to manufacture. Some metastable β titanium alloys also exhibit superelastic properties. The advantage is that they can be elaborated with only biocompatible elements (i.e. Nb, Hf, Mo, Zr & Sn). Therefore, they are promising candidates for medical applications. The objective of this thesis is to determine the potential interest of metastable β titanium alloys for the production of endodontic files. Three classes of alloys were studied: the NiTi used in the manufacture of current endodontic files; a commercially available metastable β titanium alloy, the Beta III, whose composition is Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn (weight %); and original metastable β titanium alloys developed in the laboratory, Ti2448 and Ti2334 having respective compositions of Ti-24Nb-4Zr-8Sn (weight %) and Ti-23Hf-3Mo-4Sn (atomic %). In this study, the influence of composition and thermomechanical treatments on the mechanical properties and on the stress induced martensitic transformation, responsible for the superelastic behavior, was studied. Stress induced martensitic transformation and its reversibility were most deeply studied by in situ X-ray diffraction analysis under synchrotron radiation. In all medical devices, it is needed to prevent accidental failure during use, therefore a high resistance to cyclic loading is necessary to avoid fatigue fractures in the canal system. This has led to study the fatigue behavior of alloys and the changes in their mechanical and superelastic responses during cycles. Finally, the behavior of alloys once manufactured into prototypes was evaluated with the company’s equipment and procedures.
L’alliage NiTi (Nitinol) est à l’heure actuelle le seul alliage utilisé pour la fabrication de dispositifs médicaux qui nécessitent un effet mémoire de forme ou une superélasticité, comme les arcs orthodontiques, stents, cathéters et agrafes d’ostéosynthèse. La superélasticité est la capacité d’un alliage à se déformer de manière réversible bien plus qu’un alliage conventionnel. Elle est due à une transformation martensitique réversible entre deux phases cristallographiques, l’austénite et la martensite. Le NiTi entre dans la fabrication des limes endodontiques, un dispositif médical utilisé en dentisterie. Les limes endodontiques sont utilisées pour la mise en forme du système canalaire et la superélasticité de l’outil est nécessaire du fait que les canaux dentaires sont parfois très coudés. Cependant l’utilisation du NiTi souffre de quelques inconvénients, notamment de la toxicité reconnue du nickel mais aussi de sa rupture à caractère fragile et de sa difficulté de mise en forme.Certains alliages de titane du type β métastable présentent également des propriétés superélastiques. L’avantage est qu’ils peuvent être élaborés uniquement à partir d’éléments biocompatibles (i.e. Nb, Hf, Mo, Zr et Sn). Ils sont donc des candidats prometteurs pour le domaine médical.L’objectif de cette thèse est ainsi de déterminer l’intérêt potentiel des alliages de titane β métastable pour la réalisation de limes endodontiques.Dans ce travail de thèse, trois classes d’alliages ont été étudiées : le NiTi utilisé dans la fabrication des limes endodontiques actuelles, un alliage de titane β métastable disponible commercialement, le Beta III, de composition Ti-11,5Mo-6Zr-4,5Sn (% mass.) et des alliages de titane β métastable originaux élaborés en laboratoire, le Ti2448 et le Ti2334 de composition respectives Ti-24Nb-4Zr-8Sn (% mass.) et Ti-23Hf-3Mo-4Sn (% at.). Dans cette étude, l’influence de la composition et des traitements thermomécaniques sur les propriétés mécaniques et la transformation martensitique, responsable du comportement superélastique, a été étudiée. La transformation martensitique sous contrainte et son caractère réversible ont été plus profondément étudiés par une analyse in situ de diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron. Dans tous les dispositifs médicaux, il s’agit d’éviter la rupture intempestive pendant l’utilisation, aussi une résistance élevée à la rupture en chargement cyclique est nécessaire afin d’éviter les ruptures en fatigue dans le canal dentaire. Cette constatation a mené à étudier le comportement des alliages en fatigue et l’évolution de leur réponse mécanique et superélastique au cours des cycles. Enfin, le comportement des alliages une fois taillés en prototypes a été évalué avec l’équipement et les procédures de l’entreprise.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03190714 , version 1 (06-04-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03190714 , version 1

Citer

Lorène Héraud. Nouveaux alliages de titane superélastiques pour la fabrication de limes endodontiques : du matériau au prototype. Matériaux. INSA de Rennes, 2016. Français. ⟨NNT : 2016ISAR0016⟩. ⟨tel-03190714⟩
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