Développement et caractérisation de revêtements bioactifs d'apatite obtenus par projection plasma à basse énergie : application aux implants biomédicaux

Development and characterization of bioactif apatite coatings obtained by a low energy plasma spray mini-gun : for biomedical implants applications

• Auteur / Autrice : Imane Demnati
• Direction : Christèle Combes, David Grossin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 13/10/2011
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux (Toulouse ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés libres

Biomatériau

Dépôt

Implant

Prothèse

Hydroxyapatite

Chlorapatite

Oxyapatite

Microspectroscopie Raman

Projection plasma

Chlorapatite

Hydroxyapatite

Oxyapatite

Plasma spray

Coating

Thin coating

Low energy

Micro-Raman spectroscopy

Raman imaging

Résumé

Compte tenu de leur bioactivité et de leur ostéoconduction, les revêtements d’hydroxyapatite (HA) favorisent le développement de tissu osseux et contribuent à l’adhérence et à la prolifération des cellules osseuses tout en préservant l’intégrité mécanique du dispositif métallique de l’implant. Mais des signes de résorption de cette couche ont été constatés et l’introduction du procédé de projection plasma pour la réalisation de dépôts d’HA a donné lieu à plusieurs controverses. Certaines études ont montré que les dépôts d’HA par projection plasma présentent une mauvaise adhérence sur le titane, une dégradation et écaillage avec le temps. Ce phénomène est attribuable à la décomposition de l'HA au cours de la projection et à l'existence de phases secondaires cristallisées ou amorphes qui fragilisent le dépôt. A l’heure actuelle, les recherches de nouvelles apatites thermiquement plus stables se développent. Ainsi des dépôts à base de fluorapatite ou de fluorhydroxyapatite fournissent des dépôts plus stables et plus adhérents. Il existe d’autres formes d’apatites comme la chlorapatite (ClA) qui fond sans se décomposer ce qui permettrait d’éviter la formation des phases étrangères qui provoquent l’écaillage du dépôt. Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de phosphates de calcium apatitiques destinés au recouvrement de prothèses ostéoarticulaires et/ou d’implants dentaires métalliques. L’élaboration des poudres d’apatite a été réalisée par réaction solide-solide, en solution aqueuse ou en sel fondu. Plusieurs apatites ont été étudiées : la fluorapatite, la fluorhydroxyapatite, la chlorapatite et l’apatite calcostrontique. On obtient des poudres pures, bien cristallisées et stoechiométriques. Nous avons ensuite étudié la stabilité thermique des poudres d’apatite par analyse thermogravimétrique. La stabilité thermique de la ClA et sa fusion sans décomposition permettent d’obtenir des dépôts sans phases secondaires avec un taux de cristallinité élevé. Parmi toutes les poudres étudiées, nous avons choisi de sélectionner la chlorapatite pour la suite de l’étude ainsi que l’hydroxyapatite comme référence. La poudre de ClA est déposée sur un substrat en titane via une mini-torche plasma mobile à basse énergie, conçue pour les implants dentaires ou orthopédiques de petites tailles et de géométries complexes. La projection par la mini-torche plasma permet de réaliser des dépôts fins et adhérents. Les propriétés structurales et microstructurales des dépôts de ClA et d’HA effectués dans les mêmes conditions ont été évaluées par diffraction des rayons X, spectroscopies FTIR et Raman. L’analyse des revêtements de ClA et d’HA par diffraction des rayons X atteste la présence d’une seule phase cristalline. Mais le rapport de cristallinité des dépôts de ClA est largement supérieur à celui des dépôts d’HA, pour lesquels le rapport de cristallinité est supérieur à la norme requise. Ce résultat est dû à la stabilité thermique de la ClA par rapport à l’HA. Les spectroscopies FTIR et Raman montrent la présence d’un faible taux de phase amorphe et d’oxyapatite. Nous avons également développé une nouvelle méthode semi-quantitative par cartographie Raman permettant de déterminer l’homogéneité de composition du dépôt. Enfin, nous avons montré que l’adhérence des dépôts de ClA au substrat déterminé suivant la norme ASTM C633 est équivalente à celle de l’HA. La réponse biologique des dépôts a été étudiée in vitro avec des cellules pré-ostéoblastes humaines sur les deux compositions ClA et HA. Les tests montrent que quelle que soit la composition du dépôt, la prolifération cellulaire augmente au cours du temps d’incubation. Une étude in vivo a été menée sur un modèle animal ovin en site fémur et humérus pour des durées de 2 et 6 mois afin d’évaluer le potentiel ostéoconducteur des dépôts d’HA et de ClA. Aucune réaction inflammatoire n’a été observée et l’interprétation des résultats d’analyses histologiques et physico-chimiques est en cours

Plasma-sprayed hydroxyapatite (HA) has been shown to enhance bone apposition as compared with uncoated metal implants. In spite of their good clinical performances, implant bio-integration is still limited due to the poor adhesion of HA-coating on the titanium surface and the decomposition of HA into several foreign phases during plasma spray. The plasmaspray process was thus considered not to be optimum for HA coatings. To circumvent these disadvantages, other types of calcium phosphates have been proposed to replace HA, such as tricalcium phosphate or biphasic calcium phosphate with little improvement. Chlorapatite (ClA) however has never been tested despite its ability to melt without decomposition which could be a decisive advantage to avoid apatite decomposition and could increase coating crystallinity. This work concern the synthesis and the characterization of apatitic calcium phosphate as coating for endoprostheses and dental implants. The syntheses of the different apatite powders were performed by solid-solid reaction, in aqueous solution or by molten salt reaction. Several apatites were studied: fluorapatite, fluorhydroxyapatite, chlorapatite and strontium substituted apatite. The as-synthesized powders are pure, well crystallized and stoechiometric. The thermal properties of apatite powders were compared using thermogravimetric analysis. The thermal stability of ClA and its melting without decomposition allows to obtain deposits with no secondary phases and with a degree of crystallinity close to 100 %. We have therefore chosen ClA and HA as feedstock powders to achieve coatings. The as-synthesized ClA powder was deposited on a titanium substrate using a novel low energy plasma mini-gun characterized by a low power range (<13 kW) and portability allowing in-situ coating deposition designed for dental and orthopedic small implants with complex geometry. The plasma spray with the mini-gun gives thin and adherent coatings. It also provides economic benefits such as low energy and a higher yield of feedstock powder than conventional gun. The structural and microstructural properties of ClA and HA coatings performed under the same conditions were evaluated by X-ray diffraction, Raman and infrared spectroscopy. X-ray diffraction analyses on the ClA and HA coatings indicate the presence of crystalline apatite as the only crystalline phase. However, the crystallinity ratio of ClA coatings was much higher than that of HA coatings but superior to the required standard in both cases. This difference is due to the thermal stability of ClA powder. IR and Raman spectroscopy shows the presence of low levels of amorphous phase and oxyapatite. We have also developed a new semiquantitative method by Raman imaging in order to determine coating homogeneity. The mechanical properties of coatings were determined according to the standard test measurements ASTM C633. The adhesion of ClA coatings to the substrate is equivalent to HA coatings. The biological response of the coatings was studied in vitro with human preosteoblast cells on both ClA and HA coatings. Tests show that wathever the composition of coating, cell proliferation increases with time of incubation. The in vivo osteoconductive properties of coatings were studied in femur and humerus sites of an ovine animal model during 2 and 6 months. No inflammatory reaction has been observed and the interpretation of histological and physico-chemical results is in progress.