Développement de procédés de mise en forme et de caractérisation pour l’élaboration de biocéramiques en apatites phosphocalciques carbonatées.

Elaboration of carbonated phosphocalcic apatites : Development of a characterization method and a manufacturing process.

• Auteur / Autrice : Baptiste Charbonnier
• Direction : Didier Bernache-Assollant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biologie Intégrative du tissu Osseux - Ingénierie des Biomatériaux et des Particules Inhalées
• Jury : Président / Présidente : Christian Rey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Bernache-Assollant, Christian Rey, Marc Bohner, Éric Champion, Helen Reveron, Esther Potier, Luc Malaval, David Marchat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Bohner, Éric Champion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Prototypage rapide

Phosphates de calcium

Thèses et écrits académiques

Biocéramiques

Mots clés libres

Os

Biocéramiques

Phosphates de calcium

Hydroxyapatites carbonatées

Spectroscopie infrarouge

Fabrication additive

Bone

Bioceramics

Calcium phospohates

Carbonated hydroxyapatites

Infrared spectroscopy

Additive manufacturing

Résumé

Les changements sociétaux tels que la personnalisation de la médecine, ainsi que la volonté de mieux comprendre la biologie de l’os modifie notre approche de fabrication des biomatériaux. Ces derniers se doivent ainsi d’être sur-mesure, c’est-à-dire capables de répondre à une problématique particulière. Ceci implique plus précisément dans le cas qui nous intéresse, à savoir l’os, la maîtrise de leur architecture et de leur comportement en milieu biologique (e.g., biodégradabilité).Malgré leurs atouts incontestables pour ce domaine, les biocéramiques en hydroxyapatite (HA) restent cantonnées à des usages modestes (e.g., comblement de petits défauts) ; en cause, des propriétés de biodégradation, d’ostéoconduction ou encore d’ostéoinduction souvent inadaptées aux problématiques contemporaines. Pour pallier ces limitations, nous avons entrepris deux voies de modulation des propriétés biologiques de l’HA, une voie « chimique », basée sur l’incorporation d’ions carbonate dans la structure apatitique, et une voie « procédé », reposant sur le potentiel de la fabrication additive.Des poudres d’hydroxyapatites phosphocalciques carbonatées (CHA) ont été préparées. Les ions carbonate pouvant occuper les sites hydroxyle et phosphate de l’HA, une méthode de quantification sélective du taux de substitution sur chacun de ces sites a été mise au point. Cette méthode spectroscopique novatrice ouvre de nombreuses opportunités d’études appliquées et fondamentales des CHA, abordées dans ce manuscrit, et constitue également un outil qui pourrait se révéler précieux dans l’optique de mise sur le marché de dispositifs médicaux en CHA (e.g., norme ISO).Basé sur une technologie de fabrication additive, un procédé de fabrication de biocéramiques d’architecture complexe, reproductible, flexible, fiable, de haute précision ( 5 µm) et peu coûteux, a été développé et optimisé. Cet outil de fabrication a été mis en œuvre pour répondre à des questions biologiques à finalité fondamentale et thérapeutique.

The current approach to produce biomaterials tends to evolve due to societal change such as the development of personalized medicine or the eagerness to better understand bone biology. Hence, biomaterials, which specifications depends of their intended applications, have to be custom made. For bone tissue engineering, this implies to control the scaffold architecture and behaviour in a biological environment (e.g., biodegradability).Despite their indisputable qualities, the use of hydroxyapatite (HA) bioceramics tend to be limited to basic applications (e.g. filling small defects) because of biodegradation, osteoconduction, or osteoinduction properties that do not match the actual needs. To exceed these limitations, we explored two modifications paths to tune HA biologic properties: a “chemical” approach based on incorporation of carbonate ions into apatitic structure, and a “process” approach, built around additive manufacturing singular potential.Carbonated phosphocalcic hydroxyapatites (CHA) powders were prepared. As carbonate ions may occupy HA hydroxyl and phosphate sites, a selective method to quantify their ratio in each site by IR spectroscopy has been developed. This innovative spectroscopic method opens numerous opportunities for applied and fundamental studies of CHA, but could also be considered as a precious standard for a future release of CHA medical devices (e.g. ISO norm).A cheap, flexible, robust and reliable manufacturing process based on an additive manufacturing technology has been developed and optimized, leading to the production of bioceramics with complex architectural features (accuracy  5 µm).This manufacturing process has been implemented in biological studies with fundamental and therapeutic purposes.