PROCARDINES - Élaboration de revêtements prothétiques. Caractérisation par diffraction de neutrons et rayonnement synchrotron .

par Yousra Alaoui Selsouli

Projet de thèse en Sciences - STS

Sous la direction de Hicham Benhayoune et de Abdelilah Benmarouane.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de Ecole Doctorale Sciences, Technologies, Santé , en partenariat avec (LISM) Laboratoire d'Ingénierie et Sciences des Matériaux (laboratoire) depuis le 11-10-2016 .


  • Résumé

    Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des biomatériaux en tant que revêtements des prothèses d'alliage de titane utilisées en chirurgies orthopédique et maxillo-faciale. Pour élaborer ces revêtements, la technique la plus utilisée dans l'industrie des implants est la torche à plasma qui permet la réalisation de couches épaisses d'hydroxyapatite HAP (Ca10(PO4)6OH2). Cependant, cette technique ne permet pas la réalisation de revêtements prothétiques fonctionnels (phosphates de calcium associés à des agents biocompatibles tels que polymères ou protéines). La tendance actuelle est de réaliser des revêtements fonctionnels en associant au biomatériau des agents biocompatibles. L'enjeu est d'obtenir des prothèses et implants biologiquement actifs capables de créer une liaison forte et de qualité avec l'os environnant afin d'améliorer leur efficacité et leur longévité. Au laboratoire, des techniques (électrodéposition, électrophorèse) ont été mises en place et développées pour élaborer des revêtements phosphocalciques minces (quelques µm) à basse température à partir de solutions aqueuses. Les caractéristiques du revêtement (morphologie, structure, épaisseur ...) peuvent être contrôlées par la maîtrise des paramètres de ces techniques (densité de courant, potentiel, pH ...). Ainsi, l'objectif de ce projet de thèse est de mettre en place, développer et réaliser des revêtements fonctionnels sur une large gamme d'épaisseur. Ces revêtements seront par la suite caractérisés selon les normes en vigueur, du point de vue physico-chimique, structural et mécanique. Les tests de biocompatibilités et/ou les caractérisations biologiques permettront de valider le produit final obtenu.. Les biomatériaux utilisés pour implantologie ou comblement suscitent un intérêt croissant de par leur utilisation fréquente en chirurgie réparatrice ou en chirurgie orthopédique. Ils représentent une alternative aux autogreffes (prélèvements de tissu sur l'individu), aux allogreffes (prélèvement de tissu sur un individu de la même espèce vivant ou mort) et aux xénogreffes (prélèvements de tissu sur une espèce différente). Lors d'une perte osseuse, on utilise des matériaux de substitution du tissu osseux destinés à faciliter la réossification d'un défaut ne pouvant se cicatriser sans apport extérieur. Le marché mondial des biomatériaux est très important et en pleine croissance. La commission européenne a évalué récemment ce marché mondial à 25 milliards d'euros avec un taux annuel de croissance de 5 à 7 %, un tiers de ce marché mondial reviendrait à l'Europe. Le taux annuel de croissance du marché américain serait de 20%. La part orthopédique des biomatériaux est évaluée au niveau mondial à 8 milliards d'euros avec un taux annuel de croissance de 7%. Ce marché concerne pour 40% les prothèses de hanche et de genou avec au niveau mondial respectivement 750 000 et 500 000 opérations par an. Si on prend par exemple le cas des prothèses de hanche, on estime à 90% le taux de réussite après dix ans chez les plus de 65 ans alors qu'une opération de révision est nécessaire chez les plus jeunes en moyenne trois ans après la pose. La durée de vie d'une prothèse orthopédique est de l'ordre de vingt ans, il est nécessaire de l'augmenter afin de suivre la croissance permanente de la durée de vie humaine. Les biomatériaux implantés posent le problème de leur devenir dans l'organisme : biotolérance, biofonctionnalité. Pour mieux contrôler l'intégration et obtenir des biomatériaux qui assurent un service amélioré, en termes de qualité, la complémentarité de la recherche fondamentale et appliquée est indispensable. A la croisée de multiples disciplines scientifiques (sciences des matériaux, mécanique, chimie, biologie), le domaine des biomatériaux est sujet à d'importants enjeux sociaux et économiques. Le développement de nouveaux matériaux nécessite l'intervention de presque toutes les disciplines. Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des biomatériaux en tant que revêtements des prothèses d'alliage de titane utilisées en chirurgies orthopédique. Pour élaborer ces revêtements fonctionnels, la technique la plus utilisée dans l'industrie des implants est la torche à plasma qui permet la réalisation de couches épaisses d'hydroxyapatite HAP (Ca10(PO4)6OH2) nanostructuré. Cependant, cette technique ne permet pas d'associer les phosphates de calcium à des agents biocompatibles tels que polymères ou protéines. Au sein du laboratoire LISM, nous développons des techniques simples et originales pour élaborer des revêtements prothétiques phospho-calciques : L'électrodéposition (ELD) et l'électrophorèse (EPD) L'ELD utilise une cellule d'électrolyse constituée de trois électrodes : la cathode comportant la prothèse en Ti6Al4V, l'électrode de référence et la contre-électrode. Elle permet d'effectuer l'électrodéposition en régime potentiostatique (potentiel constant) ou galvanostatique (courant constant). L'ensemble est contrôlé par ordinateur permettant de réaliser des dépôts par chrono-potentiométrie, chrono-ampérométrie, courbes de courant-tension. La solution électrolytique contient des sels à base de calcium Ca(NO3)2,4H2O et de phosphore NH4H2PO4. La température de l'électrolyte est généralement fixée à 60°C. Le temps de dépôt et la densité de courant peuvent être variables. Donc, le but de cette technique est d'élaborer des revêtements phosphocalciques minces (quelques µm) à basse température à partir de solutions aqueuses contenant le calcium et le phosphore, sans l'apport de poudre d'HAP. Les caractéristiques du revêtement (morphologie, structure, épaisseur ...) peuvent être contrôlées par la maîtrise des paramètres de l'électrodéposition (densité de courant, potentiel, pH ...). Cette technique peut être complétée par l'EPD afin d'obtenir des revêtements plus épais (quelques dizaines de µm). L'électrophorèse repose sur la migration de particules sur un substrat sous l'action d'un champ électrique. Les deux électrodes métalliques sont plongées dans une suspension stable de particules phosphocalciques possédant une charge électrique surfacique positive au contact du liquide. L'application d'une différence de potentiel entre la cathode et l'anode va faire migrer les particules qui vont s'agglomérer sur la prothèse, formant ainsi le revêtement. Enfin, signalons que l'avantage de ces deux techniques est qu'elles sont relativement simples à mettre en œuvre et permettent d'obtenir des dépôts assez homogènes et s'applique à des géométries complexes. La tendance actuelle est de réaliser des revêtements fonctionnels en associant au biomatériau des agents biocompatibles. L'enjeu est d'obtenir des prothèses et implants biologiquement actifs capables de créer une liaison forte et de qualité avec l'os environnant afin d'améliorer leur efficacité et leur longévité. Ainsi, l'objectif de ce projet de thèse est de mettre en place, développer et réaliser des revêtements d'hydroxyapatite fonctionnels sur une large gamme d'épaisseur. Ces revêtements seront par la suite caractérisés selon les normes en vigueur, du point de vue physico-chimique, structural et mécanique. Les tests de biocompatibilités et/ou les caractérisations biologiques permettront de valider le produit final obtenu. De point de vue caractérisation, la diffraction neutronique et le rayonnement synchrotron présentent des avantages inégalables pour l'étude de l'hydroxyapatite fonctionnalisée. En particulier, la faible absorption des neutrons permet de réaliser des analyses sur des volumes de matière importants et d'obtenir ainsi des données statistiquement représentatives de larges volumes. Dans le cas des contraintes et déformations internes, l'utilisation d'un faisceau de neutrons permet de déterminer les 'macrocontraintes' élastiques (homogènes à l'échelle de plusieurs grains), à partir des déformations déduites des déplacements des pics de Bragg par rapport au cas du matériau idéal sans contraintes; la diffraction de neutrons permet une cartographie en volume avec une résolution spatiale de l'ordre du mm3. En plus, cette technique permet de déterminer les tenseurs complets des déformations et des contraintes. Par ailleurs, il est possible d'étudier les déformations élastiques et plastiques associées à des orientations cristallographiques préférentielles. La caractérisation des matériaux dans le domaine de l'analyse des contraintes et du texture existe déjà depuis plus de 10 ans. Le laboratoire LISM a été précurseur dans ce domaine et a développé avec l'aide du CEA (LLB Saclay) un diffractomètre dédié à la caractérisation des contraintes par la technique de la diffraction des neutrons. Cet équipement permet d'obtenir des cartographies tridimensionnelles exceptionnelles du champ de contraintes mais aussi d'étudier très localement les contraintes internes à l'échelle des interfaces. Dans ce travail, nous souhaitons plus particulièrement nous intéresser au champ de contraintes résiduelles et textures générées après la réalisation de l'hydroxyapatite nanostruturée. Le travail portera également sur la caractérisation de la taille, de la forme et de la répartition des nanoparticules dispersées et des nanostructures développées au cours des différents traitements thermiques. Nous utiliserons également le rayonnement synchrotron pour des analyses complémentaires à haute résolution. Depuis plusieurs années nous développons en France une nouvelle technique d'évaluation des contraintes par rayonnement synchrotron de haute énergie qui permet une mesure non destructive de très haute résolution spatiale (microcontraintes). Pour obtenir une résolution spatiale élevée, des techniques de fentes croisées avec un rayonnement incident parfaitement collimaté sont aujourd'hui utilisées. Plusieurs pics de Bragg peuvent alors être mesurés simultanément sur des échantillons épais (jusqu'à plusieurs centimètres d'épaisseur pour de l'acier), avec une source d'énergie élevée, comme le wiggler de la ligne ID15 de l'ESRF de Grenoble. Le seul problème concerne l'obtention des informations spatiales 3D nécessitant une fente arrière. Une solution simple consiste à utiliser des fentes coniques. C'est relativement simple à mettre en œuvre pour un seul anneau de réflexion, mais lorsque plusieurs anneaux de Debye sont nécessaires simultanément, les fentes coniques arrière doivent alors être adaptées à la structure de l'échantillon. Une solution élégante consiste à utiliser des fentes spécifiques. Ces fentes ont la forme de spirales et permettent la mesure de la déformation pour de nombreuses directions simultanées et à travers toute la profondeur de l'échantillon.

  • Titre traduit

    PROCARDINES - Elaboration of prothetic covers. Characterization by diffraction of neutrons and brilliance(radiation) synchrotron.


  • Résumé

    This PhD project is a part of the general framework for the study of biomaterials as coatings for titanium alloy implants used in orthopedic and maxillofacial surgeries. The current trend is to create functional coatings combining the biocompatible agents to the biomaterial . The challenge is to obtain prostheses and biologically active implants able to create a strong bond with the surrounding bone in order to improve their efficiency and durability. Thus, the aim of this PhD project is to establish, develop and produce functional hydroxyapatite coatings on a wide range of thickness. These coatings will then be characterized by neutron diffraction and synchrotron radiation according to the current standards concerning the physico-chemical, structural and mechanical properties.