Elaboration de poudres et de dépôts de phosphates de calcium silicatés à usage de biomatériaux

par Ramona Nicoleta Borşa

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Michèle Frèche et de Georgeta Cosmeleata.

Soutenue en 2008

à Toulouse, INPT en cotutelle avec Bucarest, Université politehnica .

mots clés

• Biomatériaux
• Apatite -- Biocompatibilité
• Phosphates de calcium -- Biocompatibilité

Résumé

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de matériaux à base de phosphates de calcium silicatés à usage de biomatériaux, destinés soit au comblement osseux, soit au recouvrement de prothèses osseuses. La synthèse des matériaux pulvérulents a été réalisée par réaction solide-solide à haute température. Plusieurs mélanges initiaux et conditions de traitement ont été étudiés. En fonction de ces paramètres le produit final peut être constitué d'une phase pure (une apatite silicatée de formule Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-xÿx) ou un mélange de divers composants en proportions contrôlées. On a abordé dans ce contexte un essai de compréhension de la formation et de la stabilité thermodynamique de ces différentes phases. Par la suite, des granules de différentes dimensions ont été préparées par granulation humide. Des dépôts sur substrats métalliques (alliage titane TA6V ou acier inoxydable chirurgical) ont été réalisés par diverses méthodes de recouvrement : ablation laser pulsé pulvérisation cathodique par magnétron radiofréquence (RF-MS) et pulvérisation par torche plasma (plasma spray PS). Les produits initiaux ont été soit des granulés initialement préparés soit des mélanges de poudres calcinés ou non. Une synthèse-dépôt a été obtenue avec la pulvérisation RF-MS. Dans les autres cas le projetât est constitué de mélanges. Cependant, dans le cas de la projection plasma, ce recouvrement est très adhérent et épais et a mérité une analyse physico-chimique et biologique plus poussée. Les techniques utilisées pour la caractérisation des matériaux ont été les techniques classiques d'analyse du solide et plus particulièrement la diffraction des rayons X, la spectrométrie infrarouge (FTIR- ATR), les analyses chimiques et la microscopie électronique à balayage (MEB). La réponse biologique des poudres et des dépôts réalisés par plasma spray a été étudiée in vitro à l'aide des techniques de prolifération cellulaire des ostéoblastes. Ces matériaux, même constitués de mélanges, présentent une bonne biocompatibilité

Titre traduit

Elaboration of silicated calcium phosphates powders and coatings for use as biomaterials

Résumé

This work deals with the preparation and characterisation of silicated calcium phosphates (CaP-Si) in view of applications in the biomaterials field, either for bone filling or for the coating of prosthetic devices. The synthesis of powders was carried out by high temperature solid state reactions. Several initial mixtures and treatment conditions were studied. According to these parameters the reaction products can be a pure phase (silicated apatite with the chemical formula Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-xÿx) or a mixture of different compounds in controlled proportions. In this context we attempted to understand the formation process for these various phases and their thermodynamic stability. A wet granulation method was used for the preparation of different size granules. Several CaP-Si coatings were realised on metallic substrates (titanium, titanium alloy TA6V or surgical stainless steel) using different techniques: pulsed laser deposition (PLD), radio frequency magnetron sputtering (RF-MS) and plasma spray (PS). The starting materials used for deposition were either granules or mixtures of powders (calcined or not). A simultaneous coating/synthesis process was obtained only with the RF-MS technique. In all the other cases the coating composition is a mixture. However, in the case of the plasma spray technique, the coatings are well adherent and potentially interesting; therefore a more detailed physical and biological study was performed. The techniques used for the material characterization are the typical methods used in solid state chemistry analysis and particularly the X-Ray diffraction, the Infrared Spectroscopy, (FTIR-ATR), the scanning electron microscopy (SEM) and the chemical analysis. The biological response was studied for the powders and for the plasma spray coatings by way of in vitro tests based on osteoblast cells proliferation. They showed that the materials, even in the case of compound mixtures, present very good biocompatibility properties