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1
Phosphate – Pharmacotechnie - BiomatériauxPhosphate – Pharmacotechnie - Biomatériaux
Nanostructured bioceramic coatings deposited by low energy Nanostructured bioceramic coatings deposited by low energy plasma for medical implantsplasma for medical implants
NANOMED 2NANOMED 2
Revêtements de biocéramiques nanostructurés obtenus par Revêtements de biocéramiques nanostructurés obtenus par projection plasma à basse énergie pour implants médicauxprojection plasma à basse énergie pour implants médicaux
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2
Accroissement de la durée de vie
Exigences pour une bonne qualité de vie
PréambulePréambule
Développement de la chirurgie régénérative et des dispositifs médicaux implantés
Fort accroissement de la demande d'endoprostheses
110 000 implants dentaires pour la France (2002)(168 000 en Espagne; 409 000 en Italie et 419 000 en Allemagne)
130 000 prothèses de hanche implantées annuellement
en France (dont 15% de reprises)
Durée de vie moyenne des
prothèses: 15 – 20 ans
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3
Amélioration de l'ostéointegration ?
1. Rugosité de surface
(ancrage mécanique)2. revêtements Bioactifs
– (ancrage chimique)
Prothèses et implants pour tissus durs Utilisation de métaux bioinertes (Titane et ses alliages TA6V)
Réponses de l'organisme :
- Formation tissu fibreux mauvaise biointégration de l'implant
- Contact direct os-implant ostéointegration(1)
attaque acidesablage Hydroxyapatite
(1) Le Guehennec L. et al. Dental materials, 23 (2007)
PréambulePréambule
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4
PO43 -
OH-
Ca2+
Composition chimique : Ca10(PO4)6(OH)2
Hydroxyapatite ?
Biocompatibilité
Analogie structurales avec le mineral osseux
Osteoconductivité (osteoinductivité ?)
PréambulePréambule
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5
Cathode (+)
Anode (-)
Plasma Gas
Plasma Arc
HA Feedstock
Molten particles
Coating80-150 m
Comment obtient-on des revêtements de HA ?
Projection Plasma
Procédé industriel le plus utilisé
Amélioration de la fixation des implants et favorisent la croissance osseuse
PréambulePréambule
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6
CaO + melt
TCP+TTCP
OHAp
HA
ACP (+ CaO)
TCP+TTCP
OHAp
HA
Decomposition de HA
Formation de CaO, TCP, TTCP and an
amorphous phase (ACP)
Dégradations (craquelures, écaillage) fixation altérée, inflammation …
Controverse
Bonne adhésion au substrat Industriellement contrôlé
PréambulePréambule
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7
Solutions ?
Par exemple :
* Fluorhydroxyapatite 50 : Ca10(PO4)6(OH)F
* Fluorapatite : Ca10(PO4)6F2
* Chlorapatite : Ca10(PO4)6Cl2
* Strontium Chlorapatite : Ca10-xSrx(PO4)6Cl2
1. Amélioration des paramètres de projection
1. Utilisation d'apatites plus stables thermiquement que HA
PréambulePréambule
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8
Construction d'une nouvelle mini-torche plasma “basse
énergie”
Elaboration de poudres adaptées
Caractérisations physico-chimique
Test biologiques
Objectifs
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9
ObjectifsObjectifs
Powders development
Coatings characterization Scale up
LEPS system
Animal implantation
Hydroxyapatite
Cells culture
Nanomed 2 project
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10
LEPS device
Construction d'une mini-torcheConstruction d'une mini-torche
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11
Synthèses et caractérisation de différentes apatites
Hydroxyapatite : poudre commerciale
Chlorapatite: solide-gaz
Fluorhydroxyapatite : co-precipitation
Chlorapatite strontique : réaction en sel fondu
Evaluation et stabilité thermique
Développement des poudres
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12
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
2 Theta (°)
(420)
(313)
(322)
(004)
(402)
(410)
(321)(2
13)
312
(222)
(203)
(113)
(311)(3
10)
(212)
(301)
(202)
(300)
(211)
(112)
(210)
(002)
(102)
(111)
(200)
J CPDS: 00-009-0432
(400)
(221)
(201)
(104)
(501)
320
(214)
(502)
(331)
(510)
Preparée par co-precipitation en milieu aqueux
Calcinée and identifiée par DRX selon la norme
ISO 13779-3: 2008
Granulométrie : 50 - 80 µm
Ca/P = 1.67
CaO test négatif
Hydroxyapatite : New commercial powder
Développement des poudresDéveloppement des poudres
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13
2NH4Cl
(v) + Ca
10(PO
4)
6(OH)
2 (s)
Ca10
(PO4)
6Cl
2 (s)
+ 2NH3 (v)
+ 2H2O
(v)
Chlorapatite: réaction Solid-gaz
NH4Cl
Argon
granules de HA
Méthode de synthèse simple et rapide, facilement transposable à l'échelle industrielle
T = 950 °C
Conversion totale après 30 minutes
Développement des poudresDéveloppement des poudres
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14
XRD
ClA: Hexagonal Monoclinic (185-210°C) (2)
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
2 Theta (°)
HA
ClA
Poudres minéralogiquement puresPoudres minéralogiquement pures
(2) Elliott J.C. Structure and chemistry of the apatites and other calcium orthophosphates (1994)
JCPDS : 01-70-1454
Développement des poudresDéveloppement des poudres
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15
GranulometrieCoulabilité
100 g de powder
durée (sec)
Poudre HA ClA
Durée (sec) 27”26 4”75
Mesures conformes à la pharmacopée Européenne
La poudre de ClA est naturellement adaptée à la projection plasma
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.1 1 10 100 1000
Particles size (µm)
Vo
lum
e (
%)
HA 50-80 µmClA 50-80 µm
Small sized particles
Développement des poudresDéveloppement des poudres
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16
Avantages de la Chlorapatite
Synthèse par réaction solide-gaz à partir d'un produit industriel
Réaction rapide et facilement transposable industriellement. Poudre
adaptée à la projection plasma.
Elaboration de la chlorapatite strontique par une méthode
difficilement industrialisable
Nouvelle Synthèses (Fluorhydroxyapatite, Fluorapatite)
agglomeration des particules problèmes de coulabilité
Inconvénient des autres poudres
Développement des poudresDéveloppement des poudres
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17
Paramètres de projection
Mini torch flame diameter
Conventional torch diameter
Energy: 13 - 15 kWEnergy: 20 – 40 kW
SOD: 40 mmSOD: 80 à 100 mm
LEPS mini torchConventional APS
>
optimisation des paramètres et du design pour la projection de petites particules
optimisation des paramètres et du design pour la projection de petites particules
Basse energie: 13 kW
Stand-of-distance: 40 mm
faible diamètre de flamme
Limite la décomposition
dépôts de faible épaisseur sur
petits implants
Détermination des paramètres de projectionDétermination des paramètres de projection
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18
Micro-Spectroscopie RAMAN
Présence de phase amorphe
Formation d'oxyapatite
Caractérisation des dépôtsCaractérisation des dépôts
Analyses semi-quantitatives HA
1PO4 band decomposition
910 920 930 940 950 960 970 980 990
Oxyapatite
Raman shift (cm-1)
Hydroxyapatite
Oxyapatite
Amorphous phase
200 400 600 800 1000 1200
Raman shift (cm-1)
HA powder HA-coating
1P
O4
3P
O4
4P
O4
2P
O4
HA coating
HA powder
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19
1PO4 band decomposition
Quantité de phase amorphe très faible dans les dépôts de ClA
910 920 930 940 950 960 970 980 990
Raman shift (cm-1)
Amorphous phase
Oxyapatite
Chlorapatite
Oxyapatite
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Raman shift (cm-1)
1P
O4
3P
O4
2P
O4
4P
O4
ClA coating
ClA powder
Micro-Spectroscopie RAMANAnalyses semi-quantitatives ClA
Caractérisation des dépôtsCaractérisation des dépôts
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20
2 µm
2 µm
Partially recrystallized splat
Recrystallized particles
Microstructure des dépôts
Analyses locale par microspectroscopie Raman
ACP
ClA
ClA
OAACP
930 940 950 960 970 980 990
Raman shift (cm-1)
930 940 950 960 970 980 990
Raman shift (cm-1)
OA
Caractérisation des dépôtsCaractérisation des dépôts
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21
coating
Resine
substrat
Identification et imageries des différentes phases ( ACP, HA
(ou ClA) et OA dans les dépôts
La spectroscopie Raman permet une analyse locale
semi-quantitative de l’hétérogénéité des dépôts
Caractérisation des dépôtsCaractérisation des dépôts
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22
Adhésion des dépôts
Standard adhesion test
en conformité avec les normes ASTM
adhesive
coating
coating* Force (KN)** Adhesion** N/mm2 (MPa)
Hydroxyapatite 4.80 ± 0.35 9.78 ± 0.72
Chlorapatite 4.02 ± 0.88 8.18 ± 1.80
* HA and ClA 12 passes
**Average performed on 4 samples of each composition
ASTM C633-01
Caractérisation des coatingsCaractérisation des coatings
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23
Evaluation biologique
Cytotoxicité du dépôt
Adhésion et proliferation de cellules ostéoblastiques
Implantations chez le mouton sheep (ENVT)
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24
Evaluation of coating cytotoxicity
Pas de cytotoxicité
Evaluation biologiqueEvaluation biologique
Human osteoprogenitors cells
Apatite coating on Ti substrate
Cytotoxicity of HA/ClA discs
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25
Adhésion et prolifération des cellules osseuse
Pas de différences significatives entre HA et ClA
Adhésion et prolifération des Osteoblastes
Evaluation biologiqueEvaluation biologique
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26
Sites intra osseux : 2 femurs and 2 humerus
2 implants par site 8 implants par mouton
2 temps d'implantation : 2 et 6 mois
5 moutons par durée d'implantation
Evaluation in vivoImplantation
Explantation procedure
Evaluation biologiqueEvaluation biologique
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27
Mini-torche fonctionelle construite
Plusieurs méthodes de synthèse ont été testées
Les dépôts de HA et ClA montrent une bonne crystallinité 50% pour HA
et 98% pour ClA.
Faible taux de phase amorphe dans les dépôts de ClA.
Visualisation de l'hétérogénéité des dépôts par imagerie Raman.
Les dépôts en ClA semblent prometteurs
ConclusionConclusion
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28
Perspectives
Achever les analyses des explants
Caractériser quantitativement l'hétérogénéité des dépôts et
corréler avec le comportement biologique
Mettre au point des analyses unitaires des prothèses revêtues
Réaliser et tester des dépôts d'apatites strontique
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RemerciementsRemerciements
Inasmet-Tecnalia,
San Sebastian – Spain
Maria PARCOInigo BRACERAS
Projection Plasma System
Monbazens - FRANCE
Gérard COLLONGES
Teknimed
L’Union - FRANCE
Stéphane GONCALVES
ENVT
Toulouse - FRANCE
Didier MATHON
INSERM – CHU Rangueil
Toulouse - FRANCE
Anne BROUCHET
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30
Bilan scientifique:
Une thèse soutenue (Imane DEMNATI)
2 publications
4 communications dans des congrès internationaux
Four tubulaire équipé
Participation à l’achat d’un spectromètre Raman