Revêtements céramiques bioactifs hors d'équilibre déposés par atomisation électrostatique

par Verónica Muller

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Elisabeth Djurado et de Solène Tadier.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces. (laboratoire) depuis le 03-04-2018 .


  • Résumé

    Chaque année, plus de 200 000 prothèses orthopédiques (genou, hanche) et un très grand nombre d'implants dentaires sont posés en France. Pour une efficacité optimale, ces implants doivent être bien intégrés dans l'os. Pour favoriser l'ostéointégration, les implants dentaires reposent sur la modification de leur morphologie de surface, tandis qu'un revêtement de Phosphate de Calcium est souvent nécessaire sur la surface des implants orthopédiques. Traditionnellement, ces revêtements sont fabriqués par pulvérisation plasma, conduisant à des films bien cristallisés dans les phases les plus stables (principalement l'hydroxyapatite). Même si ces revêtements pulvérisés au plasma sont couramment utilisés sur les tiges et "metal back" de prothèses de hanche, leur efficacité est sujette à controverse en raison de plusieurs inconvénients tels que l'épaisseur excessive des revêtements, leur délamination possible conduisant à des inflammations locales et la nature sur-stabilisée des phases obtenues qui ne favorisent pas la réactivité. Ce projet vise à développer des techniques alternatives de revêtement en phosphate de calcium, moins coûteuses et conduisant à des revêtements plus efficaces (avec une adhérence supérieure au substrat, plus réactif pour permettre une croissance osseuse plus rapide et une guérison plus rapide du patient) potentiellement applicables aux implants dentaires et orthopédiques. Cette thèse utilisera les dépôt par pulvérisation électrostatique (ESD) pour fabriquer (et caractériser) des revêtements ostéoconducteurs d'architectures, de compositions et de structures (amorphes ou cristallines)optimisées, sur des substrats de titane biomédicale. Nous viserons des revêtements biologiquement réactifs tels que les phosphates de calcium hors d'équilibre ou amorphes (très difficiles à stabiliser sous forme de revêtements, dont le potentiel en tant que revêtement ostéoconducteur n'a jamais été évalué), ou des verres bioactifs (encore jamais déposés par ESD). De plus, nous chercherons des architectures favorisant la réactivité et l'adhésion mécanique des tissus : revêtements denses de surface arborescente, revêtements très poreux, ou bien même avec une architecture multi-échelles (réseau de pores tubulaires dans une matrice dense de surface de type corail). Ce projet se terminera par une preuve de concept, sous la forme d'un implant dentaire revêtu par ces nouvelles techniques.

  • Titre traduit

    Out-of-equilibrium bioactive ceramics coatings by Electrostatic Spray Deposition


  • Résumé

    Every year, more than 200 000 orthopaedic prostheses (knee, hip) and a huge (but unknown) number of dental implants are implanted in France. For an optimal efficiency, these implants have to be well integrated in bone. To favour osseointegration, dental implants rely on modification of their surface morphology, while a Calcium-Phosphate coating is often required on the surface of orthopaedic implants. Traditionally, these coatings are fabricated by plasma-spray, leading to well crystallized films in the most stable phases (mainly hydroxyapatite). Even though these plasma-sprayed coatings are commonly used on stems and metal-backs of hip prostheses, their efficiency is subject to controversy because of several drawbacks such as the excessive thickness of the coatings, their possible delamination leading to local inflammations, and the overly stable nature of the constitutive materials that do not favour reactivity. The project aims at developing alternative coating techniques, less costly and leading more efficient coatings (with higher adhesion to substrate, more reactive to allow faster bone ongrowth and faster healing of the patient) potentially applicable to both dental and orthopaedic implants. This PhD project will use Electrostatic Spray Deposition (ESD) to fabricate (and characterize) osseoconductive coatings of optimized architectures, compositions and structures (amorphous or crystalline), on biomedical grade titanium substrates. We will aim at biologically reactive coatings such as out-of-equilibrium or amorphous calcium phosphates (highly difficult to stabilize as coatings by any other technique, thus their potential as osseoconductive coatings could never be assessed) or bioactive glasses (whose synthesis has never been attempted using ESD). Moreover, we will look for architectures that promote reactivity and mechanical adhesion to bone tissues: dense coatings with arborescent surface, and porous coatings with a large amount of porosity (easily obtained with ES), or even with a multiscale architecture (network of tubular pores inside a coral-like dense matrix). As a proof of concept, these findings will be applied to a real dental implant.