VI.1. La mise en œuvre des NTCs : un défi !
Comme il a été montré précédemment, les NTCs possèdent d’excellentes propriétés mécaniques, un comportement de conducteur électrique ou de semi-conducteur, un pouvoir
d’émission sous champ électrique, de remarquables propriétés thermiques… L’ensemble de ces propriétés exceptionnelles est à l’origine des nombreuses recherches lancées depuis leur découverte,
notamment dans le domaine des matériaux composites.
Malheureusement, ces propriétés n’ont pas encore pu être utilisées avec succès dans les
composites à matrice inorganique en raison de la difficulté à incorporer efficacement les NTCs dans ces matrices. Les deux principales limites à cette incorporation sont:
le manque de dispersabilité des NTCs aussi bien dans les solvants que dans les
matrices polymères, céramiques et/ou métalliques,
le manque de compréhension des phénomènes à l’interface matrice/NTCs.
En effet, les NTCs sont des produits industriels se présentent sous forme de pelotes dans lesquelles les NTCs sont enchevêtrés. Ils ne se dispersent, donc pas, dans les matrices mais forment des agrégats au sein des composites ; ce qui résulte en une hétérogénéité de propriétés. A ce
problème de dispersion des NTCs, s’ajoute le rôle important de l’interface entre les NTCs et la
matrice. Une interface contrôlée avec de fortes interactions entre les NTCs et la matrice conduit généralement à une amélioration du transfert de charge.
La présence d’une interface forte ou d’une liaison chimique entre les NTCs et la matrice peut donc être un moyen d’améliorer l’interface. Une fonctionnalisation inorganique non-covalente
via un revêtement de tensioactif, ou de copolymère à blocs en surface des NTCs, peut donc être un
excellent moyen de former des liaisons chimiques, permettant d’obtenir, après dispersion dans la
matrice, une interface forte entre les NTCs et la matrice céramique. Une étude du revêtement contrôlé de tensioactif ou de copolymère à blocs à la surface des NTCs est donc essentielle.
Cependant, du fait de leur surface inerte, le revêtement inorganique de tensioactif ou de copolymère à blocs, se fait le plus souvent après un traitement des nanotubesen faisant appel à la fonctionnalisation organique. Celle-ci a pour objectif, de modifier la solubilité des NTCs dans un
grand nombre de solvants afin d’entraîner une désagglomération significative, mais aussi d’améliorer la réactivité de surface des NTCs. Ainsi, de manière générale une fonctionnalisation
organique est indispensable pour avoir une dispersion uniforme des NTCs dans les composites, point essentiel à l’obtention de bonnes propriétés biologiques et mécaniques.
En conclusion, l’étude des composites matrice inorganique/NTCs pose encore de nombreuses questions sans réponse. Les techniques habituelles d’élaboration entraînent le plus
souvent des dommages pour les nanotubes et ne permettent pas d’aller directement diffuser au sein
d’une pelote de nanotubes. C’est dans ce contexte que le choix de la méthode de la
fonctionnalisation non-covalente des NTCs, en vue de leur incorporation dans des matrices inorganiques, constitue l’un des objectifs de cette thèse.
VI.2. Objectifs de la thèse
La synthèse d’hydroxyapatite substituée ou modifiée par des ions chimiques a suscité l'intérêt de nombreux travaux scientifiques. L’hydroxyapatite, composante majeure des tissus
biologiques tels que les os, les dents et le squelette de certains invertébrés, contient également différents types des substances inorganiques. Le réseau HA intègre facilement une variété de substituants dans la structure apatitique, induisant des modifications dans les paramètres de maille, la cristallinité des poudres, la morphologie des particules, et la stabilité thermique. Il est bien connu que des quantités infimes de cations (par exemple Mg2+, Zn2+, Sr2+) et / ou des anions (par exemple SiO44-, F-, CO32-) dans l’HA jouent un rôle central dans l'ensemble de ses performances biologiques.
Une partie de cette thèse présente une technique de synthèse innovante des nanopoudres
d’hydroxyapatite substituée en magnésium avec une morphologie bien contrôlée.
Comme il a été mentionné, l’incorporation des NTCs dans une matrice céramique nécessite une bonne dispersion des NTCs, une amélioration de leur réactivité de surface et la formation d’une
bonne interface entre les NTCs et la matrice céramique. Ceci peut être obtenu par une modification de surface des NTCs par une fonctionnalisation inorganique non-covalente. Ces fonctionnalisations
devraient permettre d’obtenir un composite céramique/NTCs présentant de bonnes propriétés
mécaniques et biologiques.
Ainsi, les objectifs de la thèse sont quadruples. Il s’agit de :
Effectuer la synthèse des poudres nanostructurées d’hydroxyapatite pure et substituée en magnésium avec différentes teneurs en Mg, visant à étudier le comportement biologique et mécanique des céramiques ainsi préparés.
Réaliser la fonctionnalisation organique des NTCs via une oxydation de surface en vue de
leur dispersion et de l’amélioration de leur réactivité de surface,
Effectuer la fonctionnalisation inorganique des NTCs via un revêtement contrôlé de tensioactif ou de copolymère à blocs à leur surface, dans le but d’optimiser l’interface céramique/NTCs et de tenter de remplir complètement les pelotes de NTC,
Elaborer un matériau composite massif céramique/NTCs aux propriétés biologiques et mécaniques améliorées.
Cette thèse s’articule autour de cinq chapitres. Le premier a pour objectif de présenter les caractéristiques et les propriétés des nanopoudres d’hydroxyapatite et d’hydroxyapatite substituée
en magnésium et des NTCs ainsi que le contexte de cette étude. Dans le deuxième chapitre de ce manuscrit, une étude approfondie sur la synthèse et la caractérisation physico-chimiques des
nanopoudres d’hydroxyapatite et d’hydroxyapatite substituée en magnésium. Les propriétés
biologiques et mécaniques des céramiques, à base des nanopoudres d’hydroxyapatite et
d’hydroxyapatite substituée en magnésium, ont fait l’objectif du troisième chapitre. La fonctionnalisation organique des NTCs via une oxydation de leur surface, suivie d’un revêtement
contrôlé de tensioactifs ou de copolymère à blocs en surface des NTCs, sera abordé dans le chapitre quatre. Nous avons procédé aux caractérisations par la spectroscopie UV-vis, le suivi du potentiel zêta (stabilité de la dispersion) et l’étude structurale des systèmes NTCs−SDS et NTCs−Span-60.
Enfin, dans le dernier chapitre, l’élaboration de matériaux nanocomposites Mg-HA/NTCs
est présentée. Ces composites ont été obtenus, par frittage sous gaz inerte, avec une composition en NTCs variant entre 0 et 5 % en masse. Enfin, les propriétés biologiques et mécaniques de ces nanocomposites ont été largement étudiées pour des applications ultérieures comme biomatériaux orthopédiquex ou pour la substitution osseuse.