Auteur / Autrice : | Yousra Alaoui Selsouli |
Direction : | Hicham Benhayoune, Abdelilah Benmarouane |
Type : | Projet de thèse |
Discipline(s) : | Sciences - STS |
Date : | Inscription en doctorat le 11/10/2016 |
Etablissement(s) : | Reims |
Ecole(s) doctorale(s) : | Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne ; 2000-2011) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : (LISM) Laboratoire d'Ingénierie et Sciences des Matériaux |
Mots clés
Résumé
Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des biomatériaux en tant que revêtements des prothèses dalliage de titane utilisées en chirurgies orthopédique et maxillo-faciale. Pour élaborer ces revêtements, la technique la plus utilisée dans lindustrie des implants est la torche à plasma qui permet la réalisation de couches épaisses dhydroxyapatite 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. Lenjeu est dobtenir des prothèses et implants biologiquement actifs capables de créer une liaison forte et de qualité avec los environnant afin daméliorer 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, lobjectif de ce projet de thèse est de mettre en place, développer et réaliser des revêtements fonctionnels sur une large gamme dépaisseur. 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 lindividu), 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 dune perte osseuse, on utilise des matériaux de substitution du tissu osseux destinés à faciliter la réossification dun 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 deuros avec un taux annuel de croissance de 5 à 7 %, un tiers de ce marché mondial reviendrait à lEurope. Le taux annuel de croissance du marché américain serait de 20%. La part orthopédique des biomatériaux est évaluée au niveau mondial à 8 milliards deuros 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 quune opération de révision est nécessaire chez les plus jeunes en moyenne trois ans après la pose. La durée de vie dune prothèse orthopédique est de lordre de vingt ans, il est nécessaire de laugmenter afin de suivre la croissance permanente de la durée de vie humaine. Les biomatériaux implantés posent le problème de leur devenir dans lorganisme : biotolérance, biofonctionnalité. Pour mieux contrôler lintégration 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 dimportants enjeux sociaux et économiques. Le développement de nouveaux matériaux nécessite lintervention 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 dalliage de titane utilisées en chirurgies orthopédique. Pour élaborer ces revêtements fonctionnels, la technique la plus utilisée dans lindustrie des implants est la torche à plasma qui permet la réalisation de couches épaisses dhydroxyapatite HAP (Ca10(PO4)6OH2) nanostructuré. Cependant, cette technique ne permet pas dassocier 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 : Lélectrodéposition (ELD) et lélectrophorèse (EPD) LELD utilise une cellule délectrolyse constituée de trois électrodes : la cathode comportant la prothèse en Ti6Al4V, lélectrode de référence et la contre-électrode. Elle permet deffectuer lélectrodéposition en régime potentiostatique (potentiel constant) ou galvanostatique (courant constant). Lensemble 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 lélectrolyte 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 délaborer des revêtements phosphocalciques minces (quelques µm) à basse température à partir de solutions aqueuses contenant le calcium et le phosphore, sans lapport de poudre dHAP. Les caractéristiques du revêtement (morphologie, structure, épaisseur ...) peuvent être contrôlées par la maîtrise des paramètres de lélectrodéposition (densité de courant, potentiel, pH ...). Cette technique peut être complétée par lEPD afin dobtenir des revêtements plus épais (quelques dizaines de µm). Lélectrophorèse repose sur la migration de particules sur un substrat sous laction dun 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 sagglomérer sur la prothèse, formant ainsi le revêtement. Enfin, signalons que lavantage de ces deux techniques est quelles sont relativement simples à mettre en uvre et permettent dobtenir des dépôts assez homogènes et sapplique à des géométries complexes. La tendance actuelle est de réaliser des revêtements fonctionnels en associant au biomatériau des agents biocompatibles. Lenjeu est dobtenir des prothèses et implants biologiquement actifs capables de créer une liaison forte et de qualité avec los environnant afin daméliorer leur efficacité et leur longévité. Ainsi, lobjectif de ce projet de thèse est de mettre en place, développer et réaliser des revêtements dhydroxyapatite fonctionnels sur une large gamme dépaisseur. 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 létude de lhydroxyapatite fonctionnalisée. En particulier, la faible absorption des neutrons permet de réaliser des analyses sur des volumes de matière importants et dobtenir ainsi des données statistiquement représentatives de larges volumes. Dans le cas des contraintes et déformations internes, lutilisation dun 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 lanalyse 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 laide du CEA (LLB Saclay) un diffractomètre dédié à la caractérisation des contraintes par la technique de la diffraction des neutrons. Cet équipement permet dobtenir des cartographies tridimensionnelles exceptionnelles du champ de contraintes mais aussi détudier très localement les contraintes internes à léchelle des interfaces. Dans ce travail, nous souhaitons plus particulièrement nous intéresser au champ de contraintes résiduelles et textures générées après la réalisation de lhydroxyapatite 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 dévaluation 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 aujourdhui utilisées. Plusieurs pics de Bragg peuvent alors être mesurés simultanément sur des échantillons épais (jusqu'à plusieurs centimètres dépaisseur pour de lacier), avec une source d'énergie élevée, comme le wiggler de la ligne ID15 de lESRF 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 uvre 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.