Synthèse et consolidation à basse température de biocéramiques en apatite phosphocalcique carbonatée

Synthesis and consolidation at low temperature of bioceramics in carbonated calcium phosphate apatite

• Auteur / Autrice : Camille Ortali
• Direction : Eric Champion, Isabelle Julien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 30/11/2017
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Foucaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Champion, Isabelle Julien, Christophe Drouet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Heintz, Fabienne Audubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Substituts osseux

Spark plasma sintering (métallurgie)

Phosphates de calcium

Biocéramiques

Mots clés libres

Consolidation à basse température

Low-temperature consolidation

Résumé

Des poudres de phosphates de calcium carbonatés amorphes ou cristallisés en apatite ont été synthétisées par voie aqueuse. La carbonatation est effectuée de deux manières différentes : pendant la synthèse où la quantité de carbonates introduits dépend du rapport molaire carbone/phosphore des réactifs et de la température de synthèse, ou par post carbonatation de poudres phosphocalciques grâce à des échanges ioniques de surface en solution. Les phosphates de calcium amorphes sont composés de cluster de Posner de formule chimique générale : Ca9-x-y(PO4)6-2x-2y(HPO4)2x(CO3)2y,nH2O. Les poudres d’apatite sont decristallinité variable en fonction des paramètres de synthèse. Composées à coeur de nanocristaux d’apatite de formule chimique générale Ca10-x-y(PO4)6-x-y(HPO4)x(CO3)y(OH)2-x-y-2z(CO3)z, elles peuvent comporter en surface une couche hydratée phosphocalcique et non-apatitique plus ou moins importante. Ces poudres sont consolidées par frittage flash ou Spark Plasma Sintering (SPS) à basse température. Ce frittage, réalisé à 150°C, ne conduit qu'à peu ou pas de consolidation lorsque des poudres cristallisées et sans couche hydratée superficielle sont utilisées. A l’inverse, des poudres amorphes ou nanocristallines avec une importante couche hydratée densifient. La consolidation mène à la formation de joints de grains et à la croissance des cristaux des apatites nanocristallines dans le coeur des particules amorphes. La composition chimique des grains cristallisés est Ca10xy(PO4)6xy(HPO4)x(CO3)y(OH)2-x-y-2z(CO3)z. La consolidation est activée par l’application conjointe d’une charge et d’un courant éléctrique pulsé sans lesquels elle n’est pas possible à aussi basse température. Les céramiques résultantes sontmicroporeuses et très cohésives avec de bonnes propriétés mécaniques (résistance à la flexion = 18 MPa). Ces céramiques miment la composion chimique de la phase minérale de l’os et sont suceptibles de présenter des propriétés biologiques supérieures aux matériaux courament utlisés en tant que substituts osseux.

Carbonated calcium phosphates amorphous or crystallized to apatite powders have been synthesized by aqueous route. Carbonation is carried out in two different ways: during the synthesis in which the amount of carbonates introduced depends on the carbone/phosphor molar ratio of reactant and on the synthesis temperature, or by post carbonation of phosphocalcic powders thanks to surface ion exchange in aqueous solution. Amorphous calcium phosphates carbonated are composed of Posner's cluster of general chemical formula: Ca9-x-y(PO4)6-2x-2y(HPO4)2x(CO3)2y,nH2O. Apatite powders are of varying crystallinity depending on the synthesis parameters. It is composed of nanocrystals consisting of an apatitic core of general chemical formula Ca10-x-y(PO4)6-x-y(HPO4)x(CO3)y(OH)2-x-y-2z(CO3)z and may comprise on the surface a hydrated layer phosphocalcic and non-apatitic more or less important. These powders are consolidated by flash sintering or Spark Plasma Sintering (SPS) at low temperature (150°C). This sintering only led to little or no consolidation when crystallized powders without superficial hydrated layer were used, while amorphous powders densified. Consolidation phenomena, leads to the formaton of grain boundaries and crystal growth in the amorphous particles or crystal growth of apatitic nanocrystals. The chemical composition of the crystallized grains is Ca10-x-y(PO4)6-xy(HPO4)x(CO3)y(OH)2-x-y-2z(CO3)z. Consolidation is activated by the combined application of a load anda pulsed electric current, without which it is not possible at such a low temperature. The resulting ceramics are crystallized into calcium-deficient carbonated apatite, microporous and highly cohesive with good mechanical properties (flexural strength = 18 Pa).These ceramics mimic the chemical composition of the mineral phase of the bone and are susceptible to exhibiting superior biological properties to materials commonly used as bone substitutes.