Revêtements de verres bioactifs et d'hydroxyapatite et leurs propriétés

Abstract

Dans les dernières décennies, la recherche biomédicale est devenue de plus en plus important. En outre, le vieillissement progressif de la population, avec leurs troubles musculosquelettiques, est le moteur du développement de matériaux innovants pour les implants osseux. Bien que la production d'implants prothétiques est aujourd'hui une pratique éprouvée et bien établie, la recherche scientifique est en constante évolution dans le but d'améliorer la fiabilité et l'efficacité des prothèses disponibles, augmentant ainsi leur espérance de vie. Le but de ce travail est la production de revêtements de nouvelle génération pour les prothèses dont l'objectif est l'augmentation de l'adhérence entre les implants prothétiques et les tissus osseux. Pour la réalisation des revêtements des matériaux bioactifs ont été pris en considération, nommément matériel spéciaux qui provoquent une réponse biologique spécifique à leur interface. Les nouveaux revêtements ont été produits avec l'hydroxyapatite et/ou du bioverre, deux matériaux bioactifs qui sont capables de se lier avec les tissus osseux. En particulier, l'hydroxyapatite est un matériau céramique dont la composition et la structure sont très semblables à ceux de la fraction minérale des os. Les bioverre sont des verres spéciaux qui sont caractérisés par une bioactivité tres élevée. Malheureusement, l'utilisation d'hydroxyapatite et bioverre dans des applications structurelles est limitée par leurs propriétés mécaniques, notamment de leur fragilité. Pour résoudre ce problème, bioverres et hydroxyapatite peuvent être appliqués comme revêtements sur des prothèses métalliques; ainsi la capacité de se lier à les tissus osseux des matériaux bioactifs est combinée à les élevées propriétés mécaniques typiques des métaux. Le procédé de production actuellement le plus utilisé pour le revêtements bioactifs est la projection au plasma. Dans cette étude une récente évolution de cette technique a été utilisée: projection au plasma de suspension. La différence entre cette nouvelle technique et la projection au plasma classique réside dans les matières premières utilisées. En fait, le nouveau procédé utilise des suspensions au lieu de poudres sèches qui permet de traiter les particules sub-micrométriques ou nanométriques et donc d'obtenir des revêtements avec une microstructure très fine et contrôlée. Dans la première partie de ce travail des bioverres ayant des compositions différentes ont été étudiés afin de choisir le plus prometteur pour la production de revêtements. Plus précisément, une étude visant à comparer leur bioactivité in vitro en a été réalisée. Après, les paramètres de dépôt pour produire des revêtements de bioverre ont été optimisés. Les revêtements ont été caractérisées d'un point de vue microstructurale et mécanique; également, des tests préliminaire in vitro ont été réalisées afin d'évaluer la réactivité des revêtements dans les liquide physiologiques. Ensuite, une couche superficiel en bioverre a été appliqué sur des revêtements traditionnels d'hydroxyapatite pour augmenter leur bioactivité. Depuis cette couche a montré la capacité de promouvoir la réactivité in vitro des revêtements, l'étude a évolué avec la réalisation de systèmes composites qui ont été produits avec bioverres et hydroxyapatite. Par conséquent, des revêtements composites bioverre/hydroxyapatite ont été produites et analysées. Trois différentes microstructures ont été produits: revêtements composites conventionnels (les phases constitutives sont réparties de façon aléatoire d'une manière uniforme); revêtements bicouches (composée d'une couche d'hydroxyapatite et d'une couche de surface en bioverre); revêtements avec un gradient de composition (dans laquelle la composition varie graduellement à partir de l'hydroxyapatite pure, en contact avec le substrat métallique, jusqu'à bioverre pur, sur la surface extérieure). L'objectif de ces systèmes est de joindre l' élevé bioactivité du bioverre avec la stabilité de l'hydroxyapatite. Les échantillons ainsi obtenus ont été caractérisés, et le revêtement à gradient a été choisi pour une optimisation ultérieure. Des nouveaux revêtements à gradient ont été produites et analysées et, en particulier, la leur microstructure et les leur propriétés mécaniques ont été analysés avant et après les tests in vitro. De cette façon, la bioactivité et aussi la stabilité des échantillons ont été évalués.Over the last decades, biomedical research has acquired a growing importance. Moreover, the progressive population ageing, with related musculoskeletal disorders, is driving the development of innovative materials for bone implants. Though the production of prosthetic implants is nowadays a mature and well-established practice, the scientific research is constantly evolving with the aim of improving the reliability and effectiveness of the available prostheses, thus increasing their life expectancy. The purpose of the present study is the production of new-generation coatings to support the adhesion between prosthetic implants and bone tissues. Bioactive materials, which are ones that elicit a specific biological response at their interface, were selected as coating materials. The new coatings were produced with hydroxyapatite and/or bioactive glass, two bioactive materials which are able to bond to bone. In particular, hydroxyapatite is a ceramic material whose composition and structure are very similar to those of the mineral component of bones. Moreover hydroxyapatite is highly stable in biological environment. For these reasons, this ceramic is currently the most widely used bioactive material to produce coatings for orthopaedic implants. Bioactive glasses, instead, are special glasses which exhibit a great bioactivity. Unfortunately, the use of hydroxyapatite and bioactive glasses in structural applications is limited by their mechanical properties, in particular their brittleness. To solve this problem, hydroxyapatite and bioactive glasses can be successfully used as coatings on metal prostheses. In this way the bone-bonding ability of bioactive materials is combined with the high mechanical properties of metals. Plasma spray is an established technique to produce bioactive coatings. In this study, a recent evolution of this process has been used i.e. the suspension plasma spray. The main difference between the new technique and the conventional one resides in the feedstock materials. In fact, the new process uses suspensions instead of dry powders which makes it possible to process sub-micrometric or nanometric particles and therefore to obtain coatings with an extremely fine and controlled microstructure. In the first part of this work, bulk bioactive glasses with different compositions were studied in order to select the most promising one for the coatings production. Specifically, a study to compare their in vitro bioactivity was carried out. Following, the deposition parameters to produce bioactive glass coatings were optimized. The coatings were characterized from a microstructural and mechanical point of view; also preliminary in vitro tests were carried out to assess the reactivity in physiological media. Then, a bioactive glass topcoat was applied on traditional hydroxyapatite coatings to increase their bioactivity. Since the topcoat showed the ability to promote coatings in vitro reactivity, the study progressed with the realization of specific composite systems using the hydroxyapatite and bioactive glasses. Accordingly, composite bioactive glass/hydroxyapatite coatings were produced and analysed. Three different microstructures were produced: conventional composite coatings (the constituent phases were evenly and randomly distributed); bi-layer coatings (the coatings included a hydroxyapatite bond coat and a bioactive glass topcoat); functionally graded coatings (the composition gradually changed from pure hydroxyapatite, in contact with the metal substrate, to pure bioactive glass, on the working surface). The basic goal was to merge the high bioactivity of bioactive glasses with the stability of hydroxyapatite. On account of the results of an introductory characterization, the graded structure was selected for further optimizations. New graded coatings were produced and analysed; in particular, their microstructure and mechanical properties were investigated before and after in vitro tests. In this way, both the bioactivity and the stability of the coatings could be estimated.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF