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Les Biocéramiques : des matériaux doublement exigeants depuis l’élaboration jusqu’à l’application clinique

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Admin Hania








L’utilisation des céramiques remonte aux origines les plus lointaines de l’humanité. Le rôle de ces matériaux dans la vie des hommes a été si grand à travers les âges qu’ils sont passés dans notre patrimoine par une succession constante de progrès des techniques et des arts. Les biocéramiques sont des céramiques techniques modernes, aux propriétés les plus spectaculaires ; elles prennent leur place dans la suite ininterrompue de créations et de découvertes en apportant des réponses adaptées aux nouveaux besoins biomédicaux.

Par la présente étude, j’ai tenté de faire un billon de connaissance sur les matériaux biocéramiques et leur application. L’article englobe les points suivants :



/ 1 / Présentation des classes de biocéramiques

/ 2 / Elaboration et mise en œuvre

/ 3 / Propriétés physico-chimiques

/ 4 / Propriétés biologiques

/ 5 / Principales applications biomédicales des biocéramiques

/ 6 / Exemple : Céramiques phosphocalciques utilisées en chirurgie orthopédique


Je vous souhaite une très bonne lecture.

************************************************************************

1) CLASSES DES BIOCÉRAMIQUES


Les biocéramiques tombent bien dans la définition de biomatériau ; ce sont des céramiques (du grec keramikos, « argile cuite ») t à base de substances minérales, non-métalliques et inorganiques, susceptible d’être utilisés soit comme un ensemble ou une partie d’un système destiné à soigner, propager ou remplacer tous tissus, organes ou fonctions du corps humain. Un rapport présenté en décembre 2006, montre que la vente mondiale des biomatériaux céramiques a été d’environ 1 million de dollars en 2006 et, devrait augmenter de 9% par an dans la période 2006-2012.

Les divers matériaux utilisés sous le terme générique de biocéramique peuvent être classés comme suit :

 Oxydes métalliques purs : Al2O3, ZrO2, TiO2 ;
 Oxydes mixtes : CaOAl2O3, CaOZrO2, CaOTiO2 ;
 Phosphates de calcium : Ca3(PO4)2, Ca10(PO4)2(OH)2, Na3PO4 ;
 Bioverres : Na2O-CaO-CaF2-P2O5-SiO2 ;
 Vitrocéramiques : MgO-CaO-SiO2 (phases de precipitation) ;
 Carbone : carbone, carbone-verre.


2) ÉLABORATION ET MISE EN ŒUVRE DES BIOCÉRAMIQUE

Les implants biocéramiques sont fabriqués par les techniques de mise en œuvre communes pour toutes les céramiques. La seule différence réside dans les matières premières très pures utilisées et les exigences sur la greffe telle que l’état de surface ou la stérilité. L’organigramme général de fabrication d’une céramique comporte plusieurs étapes comme le montre la figure 1. La préparation de la matière première peut être effectuée par trois chemins :

i) La préparation par voie solide :
On utilise des matières premières de base pulvérulentes (oxydes, carbonates, nitrates) qui sont ensuite mélangées et broyées avant de subir l’opération de chamottage ou calcination. Cette dernière consiste à faire subir aux matériaux pulvérulents un cycle thermique au cours duquel ils vont, par des phénomènes de diffusion en phase solide, réagir et former la phase cristalline recherchée.

ii) La préparation par voie chimique sous pression atmosphérique normale :
L’idée consiste à former des précipités ou des gels à partir d’une solution homogène contenant les cations désirés, puis à calciner ces précipités pour former la phase et la microstructure recherchées. Dans la majorité des cas, cette méthode de synthèse permet d’obtenir des poudres dont les caractéristiques (finesse, homogénéité, frittabilité…) sont nettement supérieures à celles obtenues par chamottage.

iii) La synthèse hydrothermale :
qui diffère des autres voies « chimiques » d’élaboration d’oxydes métalliques par les conditions de température et de pression mises en œuvre. Cette élaboration se fait par dissolution des précurseurs suivie d’une précipitation. L’influence des facteurs pression et température est de favoriser la cristallinité des particules solides.





Figure 1 : Etapes principales de la fabrication des céramiques

Après synthèse chimique, la biocéramique se présente sous forme de poudres. Avant son utilisation en chirurgie, elle doit subir une préparation spécifique de mise en forme permettant de définir ses caractéristiques physiques, à savoir : la structure cristalline et cristallinité ; la porosité et la forme physique. Une fois la synthèse réalisée, il faut préparer et activer les poudres. L’étape suivante est l’étape de mise en forme, suivie de l’étape de frittage. Le frittage consiste à calciner la poudre compressée au-dessus de 900°C puis à chauffer à une température finale comprise entre 1100° et 1400°C. Sous l'effet de la pression et de la température, les cristaux de la poudre initiale fusionnent par l'intermédiaire de joints de grains, qui renforcent les propriétés mécaniques des céramiques et leur permet d'acquérir une structure massive.

Les traitements thermiques peuvent être la cuisson céramique quand le traitement thermique entraîne la formation d’une phase vitreuse pour lier les cristaux dispersés ou le frittage quand la densification s’effectue par liaison directe des grains cristallins entre eux (figure 2).






Figure 2 : Images MEB (X 1000) d’un granulés après frittage à 1300°C après 3 heures, d’après BORŞA R–N, Thèse de Doctorat, Université de Toulouse (2008)


On apportera un soin particulier au moment du frittage pour avoir des grains cristallins très fins. En effet, la taille de ces grains influe sur la qualité du polissage. Les prothèses avec une tête en céramique possèdent des coefficients de frottement fortement réduits. La dernière opération est l’étape de finition et de contrôle.


3) PROPRIÉTÉS PHYSICO-CHIMIQUES


Les biocéramiques se caractérisent par une température de fusion élevée et un comportement fragile. Ces matériaux associent des liaisons covalentes et ioniques mais qui peuvent parfois avoir un caractère métallique. Du point de vue de leur composition chimique, les céramiques sont des associations « métal–métalloïde ». Le tableau suivant récapitule les principales propriétés physiques des biocéramiques usuelles. Les céramiques oxydes résistent beaucoup mieux aux effets corrosifs comparées aux métaux.


Tableau 1 : Propriétés physiques des principales biocéramiques utilisées en biomédecine, d’après BERTOLUS M, DEFRANCESCHI M, Technique de l’Ingénieur – Référence AF6610.








3.1. La structure cristalline et a cristallinité


En fonction des conditions de préparation, un même composé chimique peut présenter différentes structures cristallines et cristallinité, modifiant sa solubilité. Par exemple, le phosphate tricalcique (TCP) peut présenter deux structures cristallines différentes : la forme α (α-TCP) et la forme β (β-TCP). La figure 3 illustre la structure cristalline hexagonale de l’hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 qui fait partie de la famille des orthophosphates de calcium. La cristallinité, qui reflète la taille et la perfection des cristaux, modifie également la solubilité de la céramique. Des cristaux de petite taille ou présentant des défauts réticulaires se dissolvent plus rapidement que les cristaux volumineux ou parfaits.





Figure 3 : Structure cristalline et cristallinité.
(A) Système hexagonal avec les noeuds de réseau et schéma de l’hydroxyapatite à droite avec en noir les calcium en site I et en blanc le calcium en site II ;
(B) Structure cubique faces centrées de la zircone.



3.2. La porosité

La porosité est une propriété fondamentale pour une biocéramique, surtout dans le cas d’une greffe comme c’est le cas pour les phosphates de calcium. Selon les conditions de préparation, deux types de porosité coexistent au sein de la céramique, la macroporosité et la microporosité. La macroporosité se traduit par l’existence de pores calibrés, créés par l’ajout d’un agent porogène lors du frittage. Les macropores présentent un diamètre de 100 à 600 µm qui favorise leur colonisation selon une structure cellulaire comme l’illustre la figure 4.






Figure 4 : Dimensions des macropores (A) entre 200 et 300 mµ et (B) entre 500 et 700 mµ dans une céramique de phosphate de calcium, d’après HAUSSELLE. J, Thèse de Doctorat, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, Science et Génie des Matériaux (2007)


La porosité globale augmente la surface d’échange entre la céramique et le milieu biologique ce qui améliore l’activité biologique à l’interface implant/tissu vivant. Cependant, une macroporosité élevée altère les propriétés mécaniques de la céramique et limite son utilisation à des sites hors contraintes ou bien en l’associant à un système orthopédique parfaitement stable. Une macroporosité optimale de 40% de taille 565 µm a permis une bonne colonisation osseuse ainsi qu’un envahissement tissulaire suffisant tout en gardant la résistance mécanique requise


3.3. La forme physique
Les présentations proposées (figure 5) sont adaptées aux nécessités de la chirurgie orthopédique : granules ou blocs pour le comblement de cavités osseuses, blocs pour la réalisation d'arthrodèse vertébrale. Il est à noter que ces blocs peuvent être taillés en peropératoire pour s'adapter aux besoins particuliers d'une intervention. Les revêtements biocéramiques sont utilisés essentiellement pour de revêtir tête et la tige fémorale d’une PTH.






Fig 5


4. PROPRIÉTÉS BIOLOGIQUES FONDAMENTALES


Les biocéramique telles que les céramiques macroporeuses possèdent plusieurs propriétés biologiques fondamentales : la biocompatibilité, la bioactivité, l’ostéoconduction et la biofonctionnalité.

 La biocompatibilité :
Appelée aussi « intégration tissulaire », elle constitue une condition indispensable pour caractériser la fonctionnalité ainsi que l'aptitude d'utiliser une céramique en milieu biologique sans effets adverses sur l’environnement biologique dans lequel elle est appelée à fonctionner.

 La bioactivité :
Elle est définie comme la propriété de créer des liens « chimiques » étroits au niveau de l’interface implant / tissu hôte. Elle exprime l’existence, en site osseux, d’échanges permanents entre la céramique et les tissus vivants environnants ; plus précisément elle représente la possibilité d’interaction et d’échanges favorables avec les cellules et les tissus environnants et la possibilité d’induire des modifications biologiques. Dans le cas d’une interface avec une biocéramique bioactive, la liaison interfaciale est assurée par un ensemble de réactions physico-chimiques au niveau de l’interface implant / tissu hôte. Ce type d’interaction est appelé « fixation bioactive ». Il y a lieu la formation d’une capsule fibreuse non adhérente, le type d’interaction est appelé « fixation morphologique ».

 L’ostéoconduction :
C’est la propriété passive d’un matériau à recevoir la repousse osseuse, par invasion vasculaire et cellulaire à partir du tissu osseux receveur au contact de ce matériau. En effet, grâce à sa structure macroporeuse, la céramique présente la capacité d’être colonisé par le tissu osseux. S’il existe un contact intime entre le biomatériau et l’os receveur en l’absence de mouvement à l’interface os/implant, le processus d’ostéoconduction peut se mettre en place grâce à des phénomènes cellulaires de colonisation osseuse. Une biocéramique possède également des propriétés d’ostéoinduction ou d’ostéoformation (figure 10). L’ostéoinduction correspond à la capacité d’induire une différenciation cellulaire pour synthétiser une matrice osseuse minéralisable. L’ostéoformation, quant à elle, correspond à la formation de la matrice osseuse par des cellules ostéoformatrices que sont les ostéoblastes.

 La biofonctionnalité :
Après avoir rempli les conditions primordiales de biocompatibilité et de bioactivité, un substitut osseux doit répondre à une fonction. Par exemple, les céramiques phosphocalciques sont mises en place pour combler un défaut osseux ou pour aboutir à une fusion osseuse entre deux berges. Elles doivent initialement présenter des propriétés mécaniques suffisantes pour conserver leur macrostructure poreuse pendant la phase de « réhabitation osseuse ». A ce stade, les propriétés mécaniques de l‘implant composite (os néoformé–céramique) seront très proches de celles de l’os et le risque clinique d’échec clinique sera faible. Pour y parvenir, il apparaît nécessaire d’optimiser les propriétés mécaniques initiales des céramiques.


5. PRINCIPALES APPLICATIONS BIOMÉDICALES DES BIOCÉRAMIQUES



On rencontre principalement l'alumine et la zircone utilisées dans les têtes de prothèses de hanche, ainsi qu'en odontologie pour les implants dentaires. Il faut signaler tout particulièrement les utilisations et les développements de deux céramiques à base de phosphate de calcium : l'hydroxyapatite (HAP) et le phosphate tricalcique (TCP) pour la substitution osseuse. Les céramiques sont utilisées pour d’autres prothèses comme celles de l’épaule ou du genou. Pour un col de fémur en alliage de type Vitalium, l’usure peut être de l’ordre d’un dixième de mm par an, tandis qu’en alumine, elle n’est que d’un centième de mm.

En effet, ces matériaux présentent l'avantage d'être ostéoconducteurs, c'est-à-dire de favoriser la repousse osseuse au contact et la colonisation par l'os ; 65 % de la matière constituant le tissu osseux est d'ailleurs une forme de phosphate tricalcique encore assez mal connue dont la formule chimique s'apparente à l'hydroxyapatite (HA), mais dont l'agencement spatial en diffère notablement puisque des cristaux d'hydroxyapatite y sont accolés à des fibres de collagène. En outre, l'HA poreuse et les céramiques à base de TCP sont biorésorbables. Le principal problème avec l'HA est d'arriver à synthétiser une HA ayant juste la bonne taille de pores pour que la colonisation se fasse bien. On trouve donc des utilisations de l'HA dans les implants et matériaux de comblement dentaires et dans la chirurgie orthopédique. Des vaisseaux artificiels à base d'HA frittées ont même été élaborés.


6. Application clinique : parties biocéramiques dans un système de prothèse totale de hanche (PTH)

Les prothèses de hanche les plus répandues sont les prothèses avec une tête en alliage de titane ou chrome-cobalt montée sur une tige fémorale en titane. Ce système s’articule dans une cupule en polyéthylène fixée sur la hanche. Des débris de polyéthylène apparaissent à cause du frottement tête – cupule. Ceci provoque une ostéolyse fémorale et limite la durée de vie de la prothèse. L’usure du polyéthylène peut atteindre quelques millimètres en une dizaine d’années. Les têtes métalliques sont donc, de plus en plus, remplacées par de l’alumine ou de la zircone. Ces céramiques étant dures et très rigides, elles peuvent plus facilement être polies. Certains produits ont une rugosité ne dépassant pas cinq nanomètres.

La prothèse totale de hanche est constituée de 3 ou 4 parties comme l’illustre la figure ; Certaines sont fixées à l'os dans le fémur et le bassin, d'autres sont assemblées entre elles. Le métal (divers alliages possibles à base de chrome-cobalt ou de titane), le polyéthylène (matière plastique industrielle spéciale) et la céramique sont les trois matériaux les plus classiques d'une prothèse de hanche.

Les derniers matériaux développés ont pour objectif de limiter l'usure progressive de la prothèse sont les céramique, d'améliorer la fixation à l'os (Titane ou Hydroxyapatite) et d'éviter la luxation (cupule double mobilité). En effet, les revêtements d’hydroxyapatite sur alliage de titane Ti-6Al-4V présentent de nombreux intérêts dans les domaines de la chirurgie orthopédique comme en implantologie dentaire. Le Ti-6Al-4V présente de bonnes propriétés mécaniques et la biocompatibilité est telle qu’une liaison se crée avec l'os après quelques semaines de l'implantation. Les propriétés mécaniques de l’hydroxyapatite sont faibles, mais l'ostéointégration et la biocompatibilité de ce matériau sont exceptionnelles. Il a été démontré que la liaison entre l’hydroxyapatite et l'os est supérieure à la liaison entre le titane et l'os.








Références bibliographiques pour savoir plus sur les biocéramiques :

Von MALLINCKRODT. D, GMBH. F, MANNHE IM, 2ème Conférence Franco-Allmande sur les céramiques techniques, Aix-la-Chapelle (4–6 mars 1987)
BORŞA R–N, Thèse de Doctorat : Elaboration de poudres et de dépôts de phosphates de calcium silicatés à usage de biomatériaux, spécialité : Sciences et Génie des Matériaux, Université de Toulouse (2008)
HAUSSELLE. J, Thèse de Doctorat : Etude de la dégradation par chocs de têtes et cupules de prothèses de hanche en biocéramique, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, Spécialité : Science et Génie des Matériaux (2007)
BERTOLUS M, DEFRANCESCHI M, Les apatites : des phosphates naturels, Technique de l’Ingénieur – Référence AF6610 (janvier 2004)
AWAMAT. S, Thèse de Doctorat : ADAPTATION D’UN REACTEUR PLASMA BASSE PRESSION DE DEPOT POUR LA SYNTHESE D’OXYDES SOUMIS A DE HAUTES TEMPERATURES – APPLICATION AUX PILES A COMBUSTIBLES TYPE SOFC ET AUX BARRIERES THERMIQUES, Université Pierre et Marie Curie PARIS VI (2008)
Gauthier O, Khairoun I, Bosco J, Obadia L, Bourges X, Rau C, Magne D, Bouler JM, Aguado E, Daculsi G, Weiss P. Non-invasive bone replacement using a new injectable calcium phosphate biomaterial. J Biomed Mater (2002)
SCHMIDT R, « Traité des Matériaux V.7 : Comportement des matériaux en milieux biologiques » – Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1999)
GOYENVALLE. E, GAUTHIER. O, BOULER J.M, LE NIHOUANNEN J.C, DACULSI G, AGUADO. E, SYNTHESE SCIENTIFIQUE : Intérêts et limites des céramiques phosphocalciques en chirurgie orthopédique vétérinaire, Revue Méd. Vét., 2000, 151, 4, pp. 291-302
G. ALIPRANDI, « Matériaux Réfractaires et Céramiques Techniques, Eléments de Céramurgie et de Technologie », (éd.) Septima, Paris (1979)
PRONER. A, Revêtements par projection thermique, Technique de l’Ingénieur – Référence M1645 (septembre 1999)
METHOUT S, BIANCHI L, Joint céramique haute température obtenu par projection thermique, Technique de l’Ingénieur – Référence IN 67 (janvier 2009)



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Je tiens à préciser que cet article sur les biocéramiques ambitionne de présenter cette famille de biomatériaux sous l’angle « matériaux ». Il était donc question de faire présenter cette voie d’étude avec tout l’intérêt qu’elle porte de la façon la plus simple possible.

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