Design of titanium-copolymer sandwich materials for biomedical applications

Abstract

Les lésions crâniennes causées par des accidents, traumatismes et pathologies sont fréquentes et nécessitent la reconstruction de la région crânio-maxillo-faciale (CMF). Actuellement, les biomatériaux les plus utilisés pour fabriquer des prothèses crâniennes et mandibulaires sont sous forme de monomatériaux. En raison de sa biocompatibilité, le titane (Ti) est généralement utilisé dans la fabrication de plaques d’ostéosynthèse pour remplacer l’os. Cependant, la différence significative des propriétés mécaniques entre le Ti et les tissus environnants se traduit par un “stress-shielding” préjudiciable à l’os voisin de la prothèse. Pour atténuer cet effet, un procédé d’élaboration de matériaux sandwichs (SMs pour “sandwich materials”) - dans lesquels deux plaques métalliques et un cœur de polymère sont alternativement superposés - a été étudié. Toutefois, du fait de leur cytotoxicité, les résines époxy généralement utilisées dans l’industrie pour réaliser l’interface, ne peuvent l’être dans le domaine biomédical. Le projet de thèse consiste en le développement de SMs biocompatibles (bioSMs pour “biocompatible sandwich materials”) dans le cadre de la chirurgie CMF. Dans de récentes études au laboratoire, le greffage de poly(méthacrylate de méthyle (PMMA) sur des substrats en Ti a été développé en utilisant la méthode “grafting from” pour former une première génération de bioSMs. Dans la seconde génération, le PMMA a été remplacé par un copolymère statistique - le poly(méthacrylate de méthyle-co-méthacrylate de n-butyle) P(MMA-ran-BMA) - afin d’améliorer la mise en forme et l’adhésion de l’interface à température ambiante (Tamb).Cranial injuries caused by accidents, traumas and pathologies are frequent and require the reconstruction of the craniomaxillofacial (CMF) region. Currently, the biomaterials most used to manufacture skull and mandible prostheses are in the form of monomaterials. Due to its biocompatibility, titanium (Ti) is generally used to built-up osteosynthesis plates to replace bones. However, the significant difference of the mechanical properties between Ti and the surrounding tissues results in a “stress-shielding” detrimental to the bones close to the prosthesis. To reduce this effect, a process for producing sandwich materials (SMs) - in which two metallic plates and a polymer core are alternatively superposed - was studied. However, due to their cytotoxicity, the epoxy resins generally used in industry to achieve the interface cannot be used in the biomedical field. The research project consists of the development of biocompatible SMs (bioSMs) in the context of CMF surgery. In recent laboratory studies at IPCMS, the grafting of poly(methyl methacrylate) (PMMA) onto Ti substrates was developed using the “grafting from” method to form a first generation of bioSMs. In the second generation, the PMMA has been replaced by a random copolymer - poly(methyl methacrylate-co-n-butyl methacrylate) P(MMA-ran-BMA) - in order to improve the shaping and the adhesion interface at room temperature