Modification de céramiques d’hydroxyapatite par irradiation électronique et/ou irradiation UV et/ou par plasma froid

Modification of hydroxyapatite ceramics by electronic irradiation and/or UV irradiation and/or by cold plasma

• Auteur / Autrice : Guillaume Bai
• Direction : Etienne Bres, Ulrich Maschke, Philippe Supiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations
• Jury : Président / Présidente : Ghislaine Bertrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Hornez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Soumia Belouafa, Chantal Damia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules -- Adhésivité

Plasmas froids

Rayonnement ultraviolet

Faisceaux électroniques

Médicaments-retard

Mouillabilité

Propriétés physico-chimiques

Biomatériaux

Effets de l'eau

Revêtement d'hydroxyapatite

Mots clés libres

Hydrophilie

Hydroxyapatite

Surface treatment

Hydrophilicity

Biomaterial

Résumé

L’hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HA) est le constituant majoritaire des os et des dents du corps humain. C’est un cristal ionique présentant un grand intérêt dans le domaine des matériaux implantés. La modification de sa surface est grandement étudiée pour permettre le contrôle de l’adhésion cellulaire. Cela favorise son utilisation en tant que biomatériau pour l’administration de principes actifs ou son implantation dans un milieu physiologique. Les expériences sont réalisées sur des pastilles de céramiques d’HA frittées. Un protocole de préparation et stockage de surface est élaboré afin d’obtenir une bonne répétabilité de l’état de surface. Une caractérisation physico-chimique minutieuse par différentes techniques nous renseigne sur la morphologie et la composition chimique du matériau comme la diffraction des rayons, la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie électronique à rayons X, … Une fois l’état initial des échantillons connu et reproductible, des modifications de surface sont conduites par trois dispositifs différents qui sont le bombardement électronique, l’irradiation UV et le traitement par plasma froid. Les techniques de caractérisations physico-chimiques sont alors à nouveau utilisées pour mettre en évidence les possibles modifications de surface induites. Le caractère hydrophile ou hydrophobe des surfaces est très révélateur pour améliorer la réponse du matériau lors de son intégration dans un milieu physiologique et ses interactions avec les molécules présentes dans le corps humain. Ceci favorise la capacité du matériau à s’intégrer dans le milieu et conduire à son incorporation en réduisant les effets néfastes. C’est pourquoi une approche spécifique par le suivi de la mouillabilité de surface dans le temps est mis en place pour observer l’impact des différents traitements. Plusieurs caractérisations dans des conditions humides indiquent que le matériau n’est pas soumis à une altération ou à une transformation en présence d’eau. Les variations étudiées sont donc en lien direct avec les traitements. Les expérimentations se sont recentrées principalement sur l’irradiation électronique qui, dans les conditions étudiées, montre une certaine supériorité par rapport aux autres traitements. Les paramètres extrêmes d’irradiation de la machine sont alors étudiés ainsi que des valeurs intermédiaires. En plus de cela, une étude de l’impact de l’atmosphère de traitement est faite, comparant les expériences faites sous air et sous azote. Dans des conditions spécifiques, une modification morphologique et structurale des surfaces est observée après traitement. Des études biologiques in vitro sont conduites pour évaluer le potentiel antibactérien et une amélioration de la bio activité des surfaces modifiées. Une amélioration des propriétés anti bactérienne des surfaces traitées est mis en évidence. Les principales différences sont une capacité d’adsorption d’un principe actif ainsi qu’ un relargage plus long dans le temps pour des pastilles irradiées par rapport à des pastilles vierges. Ce résultat est d’autant plus marqué pour les irradiations faites sous air.

Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HA) is the majority constituent of the bones and teeth of the human body. It is an ionic crystal of great interest in the field of implanted materials. The modification of its surface is extensively studied to allow the control of cell adhesion. This promotes its use as a biomaterial for the administration of active ingredients or its implantation in a physiological environment.The experiments are carried out on sintered HA ceramic pellets. A surface preparation and storage protocol is developed to achieve a good repeatability of the surface condition. A thorough physico-chemical characterization using different techniques provides information on the morphology and chemical composition of the material such as radiation diffraction, scanning electron microscopy, X-ray electron spectroscopy, etc. Once the initial state of the samples is known and reproducible, surface changes are conducted by three different devices which are electronic bombardment, UV irradiation and cold plasma treatment Physico-chemical characterization techniques are then again used to highlight possible induced surface changes. The hydrophilic or hydrophobic nature of surfaces is very revealing to improve the response of the material when it is integrated into a physiological environment and its interactions with molecules present in the human body. This promotes the ability of the material to integrate into the environment and lead to its incorporation by reducing adverse effects. This is why a specific approach by monitoring surface wettability over time is put in place to observe the impact of the different treatments. Several characterizations under wet conditions indicate that the material is not subject to alteration or transformation in the presence of water. The variations studied are therefore directly related to the treatments. The experiments focused mainly on electronic irradiation, which, under the conditions studied, showed a certain superiority over other treatments. The extreme irradiation parameters of the machine are then studied as well as intermediate values. In addition to this, a study of the impact of the treatment atmosphere is done, comparing the experiments made under air and nitrogen. Under specific conditions, morphological and structural surface changes are observed after treatment. In vitro biological studies are conducted to assess the antibacterial potential and improvement of the bio-activity of modified surfaces. An improvement in the antibacterial properties of the treated surfaces is highlighted. The main differences are an adsorption capacity of an active ingredient and a longer time release for irradiated pellets compared to blank pellets. This result is all the more marked for irradiations made under air.