Thèse Développement d'Un Jumeau Numérique du Procédé de Biofabrication par Direct Ink Writing Diw d'Implants Osseux Architecturés Traçabilité Optimisation Multiphysique et Sécurité Patient H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Nantes Université École doctorale : École doctorale Biologie Santé Laboratoire de recherche : Regenerative Medicine and Skeleton Direction de la thèse : Baptiste CHARBONNIER ORCID https://orcid.org/00 Date limite de candidature : 2026-05-22T00:00:00 Le domaine de la régénération osseuse bénéficie aujourd'hui des avancées de la fabrication additive, qui permettent d'envisager la conception d'implants personnalisés, adaptés à la morphologie et aux contraintes anatomiques et physiologiques propres à chaque patient. Des ciments innovants, bioactifs et biomimétiques, dont les propriétés mécaniques évoluent de façon séquentielle, ont été développés aux laboratoire RMeS (Brevet WO2024149861A1) pour passer outre les limites des implants personnalisés actuels (e.g., casse lors de l'implantation, manque de bioactivité, biodégradation parfois inadaptée). Du fait de contraintes couplant effets biologiques, matériaux et procédés, ces ciments sont imprimés en 3D par Direct Ink Writing (DIW), i.e. extrusion sélective de pâte. Néanmoins, le DIW reste plus limité dans ses capacités à produire des architectures biologiquement pertinentes (e.g. Triply periodic minimal surfaces - TPMS) Cliquez ou appuyez ici pour entrer du texte. , et ce de façon robuste et répétable. En effet, la sensibilité du procédé de DIW aux stratégies d'impressions, aux potentielles instabilités internes et externes, ainsi qu'aux variations expérimentales des matériaux pâteux peut entrainer des imperfections de dépôts, des défauts structurels ou encore des écarts géométriques susceptibles de faire échouer l'impression ou encore de modifier les propriétés mécaniques et fonctionnelles des implants produits (Baumer et al., 2023; del-Mazo-Barbara et al., 2024) . Une maitrise et compréhension approfondie de ce procédé de DIW devient alors une nécessité pour une future industrialisation de ces solutions développées au laboratoire RMeS - qui y travaille activement. Dans ce contexte, la mise en place d'un jumeau numérique dédié au procédé DIW apparaît comme une approche pertinente pour améliorer la prédiction, le suivi et la fiabilisation de la fabrication additive. Née d'une collaboration entre RMeS et le LS2N, cette thèse vise à concevoir un jumeau numérique multiphysique du procédé DIW appliqué à la fabrication d'implants osseux personnalisés. Il couplera, de manière dynamique, les paramètres instrumentaux du procédé aux propriétés rhéologiques et aux cinétiques du matériau, afin de prédire l'apparition de défauts et de simuler fidèlement l'état réel de l'implant tel qu'imprimé, au-delà de sa représentation CAO idéale. La validation du modèle reposera sur une confrontation systématique aux données expérimentales issues de la microtomographie et d'essais mécaniques, permettant d'évaluer sa capacité à reproduire la géométrie, la microstructure et les performances de la pièce imprimée. À terme, ce jumeau numérique a vocation de fiabiliser et sécuriser la fabrication d'implants osseux architecturés, en permettant une maîtrise accrue du procédé et en facilitant son transfert vers un cadre industriel et clinique. Dans cette perspective, une attention particulière sera portée à la modélisation du procédé DIW comme un système automatique (robotique ?) couplé, intégrant à la fois les dynamiques de la machine, les lois de commande et le comportement évolutif du matériau. Le développement de stratégies de commande avancées permettra d'ajuster en temps réel les paramètres d'impression (vitesse, débit, pression) afin de compenser les variations du matériau et les instabilités du procédé, améliorant ainsi la précision et la reproductibilité des structures imprimées. En complément, des approches d'apprentissage automatique seront explorées afin d'enrichir le jumeau numérique. Ces méthodes permettront d'identifier des corrélations complexes entre paramètres procédé, propriétés rhéologiques et qualité des structures imprimées, et de proposer des stratégies d'optimisation basées sur les données expérimentales. L'intégration de modèles hybrides, combinant connaissances physiques et apprentissage à partir des données, constituera un levier clé pour améliorer la capacité prédictive du système. L'enjeu central de ce projet est de lever un des verrous technologiques séparant les formulations cimentaires innovantes développées à RMeS pour le soin personnalisé des patients de leur industrialisation dans un cadre clinique certifié. La fabrication de dispositifs médicaux implantables est en effet soumise à des exigences strictes en matière de qualité, de traçabilité et de maîtrise des procédés, notamment dans le cadre de la norme ISO 13485 et du règlement européen MDR. Ces cadres imposent une documentation rigoureuse du cycle de vie du dispositif ainsi qu'une démonstration de la reproductibilité et de la robustesse du procédé de fabrication. Or, dans le cas du DIW la sensibilité du procédé de DIW aux stratégies d'impressions, aux potentielles instabilités internes et externes, ainsi qu'aux variations expérimentales des matériaux pâteux, limite fortement la prédictibilité des défauts et la garantie des performances finales (e.g., mécanique, biologie). L'enjeu de ce projet de thèse repose sur : (i) la compréhension et la modélisation du couplage entre stratégie d'impression, paramètres de procédé, grandeurs physico-chimiques caractéristiques des pâtes cimentaires (e.g., rhéologie) et qualité des structures imprimées ; (ii) le passage d'un modèle géométrique idéal (CAO) à une représentation fidèle de l'implant réel, notamment pour des architectures TPMS sensibles aux imperfections locales ; (iii) la validation expérimentale robuste du jumeau numérique, intégrant des données multi-échelles issues de mesures expérimentales physico-chimiques (e.g., microCT, mécanique). Sur le plan industriel, le développement d'un jumeau numérique permettrait de remplacer les approches empiriques actuelles, basées sur des cycles itératifs d'essais-erreurs, par une démarche prédictive et maîtrisée. Cela contribuerait à réduire les temps de développement, les coûts de fabrication et les risques de non-conformité réglementaire. En outre, l'intégration d'un tel outil dans une chaîne de fabrication ouvrirait la voie à une boucle de contrôle qualité continue et non destructive. Elle permettrait notamment la création d'un véritable « passeport numérique » pour chaque implant, assurant une traçabilité complète entre les paramètres de fabrication réels et les performances biomécaniques attendues. Ainsi, ce projet s'inscrit à l'interface entre ingénierie des procédés biomédicaux, modélisation multiphysique et exigences réglementaires, avec pour ambition de sécuriser la production d'implants osseux personnalisés aux architectures complexes et hautement variables. La mise en oeuvre de ce jumeau numérique reposera également sur le développement d'une architecture logicielle intégrée, assurant l'interopérabilité entre les modèles multiphysiques, les données expérimentales et les systèmes de pilotage du procédé. Cette architecture permettra de synchroniser les simulations et les données issues du procédé en temps quasi réel, ouvrant la voie à une exploitation opérationnelle du jumeau numérique dans un environnement de production.