Elaboration par voie sol-gel de nouveaux biomatériaux de reconstruction osseuse pour des applications en orthopédie : synthèse, caractérisation physicochimique et spectroscopique, bioactivité in vitro

Abstract

Les implants dans le corps humain peuvent créer des irritations et des lésions, pour réduire ces effets les chercheurs ont remédiés ces réactions indésirables par l’implantation des matériaux inertes pour réduire l’interaction avec le tissu du corps, mais la fixation bioactive des implants a été la solution précieuse en assurant un lien interfacial avec le tissu osseux par la formation d’une couche d’hydroxyapatite (HA) biologiquement active qui a des propriétés mécaniques identiques et parfois même supérieures à celles de l’os. Notre choix s’est porté sur la synthèse et l’étude physicochimique de HA pure et une série d’hydroxyapatites dopées par le néodyme (HANd) ainsi que des matériaux composites HA-SiO2. Nous avons aussi élaboré des bioverres quaternaires [SiO2-CaO-MgO-P2O5 et SiO2-CaO-Na2O-P2O5], quinaires [SiO2-CaO-Na2O-MgO-P2O5 et SiO2-CaO-Na2O-SrO-P2O5] et senaires [SiO2-CaO-Na2O-Ag2O-SrO-P2O5]. L’utilisation de la méthode sol-gel pour la mise en oeuvre de ces biomatériaux s’est avérée avantageuse, car elle nous a permis d’obtenir des hydroxyapatites à l’échelle nanométrique, une grande homogénéité des réactifs et une bonne réactivité des bioverres vis-à-vis la solution physiologique SBF. Les méthodes de caractérisation utilisées comportent la spectroscopie d’émission atomique par plasma à couplage inductif (ICP-AES), la diffraction des rayons X (DRX), la microscopie électronique à balayage (MEB-EDS), la spectroscopie infrarouge (IR) et l’analyse thermogravimétrique et différentielle (ATD-ATG). Nous avons utilisé d’autres caractérisations physiques telles que l’étude de la porosité et l’angle de contact. La bioactivité du matériau composite HASiO2 et celle des bioverres ont été testées par leur immersion dans une solution physiologique(SBF) ; la bioactivité est donc confirmée par la formation d’une couche d’hydroxyapatite carbonatée. En général, les résultats obtenus montrent que : - Le chauffage par le four microondes assure la formation d’une hydroxyapatite pure avec une cinétique plus rapide que celle du chauffage par four électrique. - Le gel amorphe, obtenu à 25°C, chauffé par le four microondes conduit à la cristallisation de l'HA à 230°C ; tandis que le chauffage par four électrique montre un début de cristallisation du β-TCP à 750°C, qui devienne plus nette à 1000°C. - La température de maturation des gels a une grande influence sur la composition des poudres obtenues en montrant un comportement différent qui dépend de la nature du chauffage par microondes ou par four électrique. En fait, la baisse de température de 25°C à 4°C favorise la cristallisation du gel par formation de l'HA et le β-TCP, tandis que le chauffage par microondes à 180°C contribue à améliorer l'apparition de l'HA et le β-TCP devient une phase secondaire, alors que le chauffage du four électrique aide à la prédominance de β-TCP. - Le chauffage à différentes températures (T = 180, 200, 220 et 230°C) par microondes a permis la formation d’une couche protectrice de SiO2 amorphe autour des particules d’HA ce qui a réduit la dissolution de HA dans le milieu acide (1N), sauf pour l’échantillon chauffé à 230°C qui a montré une dissolution totale de HA. Les tests de bioactivité in vitro effectués pour ces échantillons HA-SiO2 ont montré une bioactivité moyenne. - L'analyse par DRX et par spectroscopie IR montre que la température de calcination à 700°C est appropriée pour obtenir une cristallinité élevée des matériaux HANd (Ca10-xNdx(PO4)6(OH)2-xOx, x = 0,1- 0,5). - L'inclusion du magnésium et du sodium dans le réseau vitreux SiO2-CaO-P2O5 a un double effet puisqu'elle inhibe d'une part la formation de la phase cristalline de Na2Ca2Si3O9 et, d'autre part, améliore la vitesse de dissolution du verre. - L’ajout du strontium dans le système SiO2-CaO-Na2O-P2O5 a amélioré la bioactivité. Tandis que l’ajout de l’argent (2% ou 4%) dans le système SiO2-CaO-Na2O-SrO-P2O5 inhibe la bioactivité des bioverres obtenus à cause de la précipitation du composé AgCl.