Revêtements céramiques bioactifs hors d'équilibre déposés par atomisation électrostatique

Out-of-equilibrium bioactive ceramics coatings by Electrostatic Spray Deposition

• Auteur / Autrice : Verónica Müller
• Direction : Elisabeth Djurado, Solène Tadier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Yoann Roupioz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Douard, Laurent Gremillard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghislaine Bertrand, Eric Champion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomatériaux

Hydroxyapatite

Implants ostéo-intégrés (odontostomatologie)

Implants orthopédiques

Mots clés libres

Ti6Al4V

Atomisation électrostatique électrostatique

Hydroxyapatite

Verres bioactifs

Biomatériaux

Revêtements nano-Texturés

Ti6Al4V

Electrostatic Spray Deposition

Hydroxyapatite

Bioactive glasses

Biomaterials

Nano-Textures coatings

Résumé

"Les implants orthopédiques et dentaires sont largement utilisés depuis des décennies et sont appelés à se multiplier à mesure que la population vieillit et que l'espérance de vie augmente. Cependant, environ 10 % de ces implants échouent prématurément en raison d'une mauvaise ostéointégration. En général, les implants sont fabriqués à partir d'alliages de titane, en particulier Ti6Al4V, grâce à leur bonne biocompatibilité. Pour une meilleure intégration avec le tissu osseux, une modification de leur morphologie de surface avec un revêtement en phosphate de calcium est souvent nécessaire. Traditionnellement, ces revêtements sont fabriqués par projection plasma, conduisant à des films bien cristallisés dans les phases les plus stables (principalement hydroxyapatite, HAP). Même si ces revêtements déposés par plasma sont couramment utilisés dans les prothèses, leur efficacité est sujette à controverse en raison de plusieurs inconvénients liés au traitement à haute température et à l'épaisseur excessive des revêtements. Ce doctorat est axé sur des revêtements à faible coût de biomatériaux innovants par une approche de nano-texturation utilisant la technique de dépôt par atomisation électrostatique (ESD) en une seule étape. En raison de leur capacité de liaison osseuse, les HAP, les verres bioactifs (BG) appartenant au système SiO2-CaO-P2O5, et leurs composites ont été sélectionnés pour revêtir le substrat de Ti6Al4V. Un mécanisme ascendant original a été compris lorsqu'un précurseur organique à base de P5+ a été électropulvérisé pour fabriquer des revêtements HAP monophasés avec une microstructure et une taille de cristallite contrôlables. En optimisant des paramètres ESD, des morphologies variées de HAP ont été obtenues avec succès allant des films minces et denses vers des dépôts plus épais et poreux 3D de type corail. Leur réponse biologique in vitro a été étudiée en fonction de leurs microstructures et comparée à un échantillon commercial déposé par puvérisation plasma. Cette thèse est également dédiée à l'optimisation des paramètres ESD pour réaliser des revêtements de bioverres S85 (85 SiO2 – 10 CaO – 5 P2O5 mol. %), S75 (75 SiO2 – 20 CaO – 5 P2O5 mol. %) et S58 (58 SiO2 – 37 CaO – 5 P2O5 mol. %) caractérisés par des morphologies différentes allant du type chou-fleur compact au type corail très poreux. La bioactivité de ces revêtements BG a été examinée en terme de capacité de formation d'apatite par immersion dans une solution de fluide corporel simulé (SBF). Enfin, des revêtements composites S58 BG/HAP conçus pour apporter le meilleur de chaque biomatériau, c'est-à-dire un indice de bioactivité élevé de BG avec la stabilité à long terme de HAP, sont explorés pour améliorer l'ostéointégration globale des implants à base de Ti6Al4V."

"Orthopedic and dental implants have been widely used for decades and are set to multiply as the population ages and life expectancy increases. However, about 10 % of these implants fail prematurely due to poor osteointegration. Usually, implants are commonly made from titanium alloys, particularly Ti6Al4V, thanks to their good biocompatibility. For better integration with the bone tissue, a modification of their surface morphology with a calcium phosphate coating is often required. Traditionally, these coatings are fabricated by plasma spray, leading to well-crystallized films in the most stable phases (mainly hydroxyapatite, HAP). Even though these plasma-sprayed coatings are commonly used in prostheses, their efficiency is subject to controversy because of several drawbacks related to the high-temperature processing and the excessive thickness of the coatings. This Ph.D. thesis is focused on the low-cost design of innovative biomaterials coatings by a nano-texturing one-step approach using the electrostatic spray deposition (ESD) technique. Due to their bone-bonding ability, HAP, bioactive glasses (BG) belonging to the SiO2-CaO-P2O5 system, and their composites have been selected to coat Ti6Al4V. An original bottom-up mechanism was understood when an organic P5+ precursor was electrosprayed to fabricate single-phase HAP coatings with tuneable microstructure and crystallite size. Various HAP morphologies have been successfully obtained by optimizing ESD parameters, ranging from thin and dense films to thicker and porous 3D coral-type ones. Their biological response in vitro was investigated according to their microstructures and compared to a plasma-sprayed commercial sample. This Ph.D. thesis is also dedicated to the optimization of ESD parameters to achieve S85 (85 SiO2 – 10 CaO – 5 P2O5 mol. %), S75 (75 SiO2 – 20 CaO – 5 P2O5 mol. %), and S58 (58 SiO2 – 37 CaO – 5 P2O5 mol. %). BG coatings characterized by different morphologies ranging from compact cauliflower-type to highly porous coral-like. The bioactivity of these BG coatings was examined in terms of apatite-forming ability by immersion in simulated body fluid (SBF) solution. Finally, S58 BG/HAP composites coatings designed to bring the best of each biomaterial, i.e., high bioactivity index of BG with the long-term stability of HAP, is explored for enhancing the overall osteointegration of Ti6Al4V-based implants."