Revêtements électrofilés de bioverre 45S5 et d'hydroxyapatite pour applications orthopédique et dentaire

• Auteur / Autrice : Léa Dejob
• Direction : Bérangère Toury-Pierre, Vincent Salles, Claire Gaillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, biomatériaux et procédés innovants
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent David
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bérangère Toury-Pierre, Vincent Salles, Claire Gaillard, Patrick Nédélec, Christel Laberty-Robert, Guy Schlatter
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Nédélec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtement d'hydroxyapatite

Implants orthopédiques

Implants dentaires

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Électrofilage sol-gel

Verre 45S5

Hydroxyapatite

Ostéo-intégration

Revêtement

TA6V

Acétates

Electrospinning

Bioglass 45S5

Hydroxyapatite

Osteointegration

Coating

TA6V

Acetates

Résumé

L’alliage de titane TA6V est communément utilisé en implantologie en raison de sa biocompatibilité et de ses propriétés mécaniques intéressantes. Son manque de bioactivité est cependant à l’origine de descellement des implants, menant à terme à une nécessité de chirurgie de reprise. Dans ce contexte, des revêtements inorganiques ont été développés dans le cadre de cette thèse, avec pour objectif l’amélioration de l’ostéo-intégration des implants en TA6V. A cette fin, deux matériaux connus pour leur ostéo-conductivité ont été comparés : le verre 45S5 (de composition molaire 46,1 % SiO2, 24,4 % Na2O, 26,9 % CaO et 2,6 % P2O5) et l’hydroxyapatite phosphocalcique carbonatée. Afin de mimer l’architecture des filaments de collagène de la matrice extracellulaire osseuse, ces matériaux ont été déposés sur des substrats de TA6V sous la forme de filaments de taille micronique, via le procédé d’électrofilage. La synthèse originelle du verre 45S5 implique la fusion de poudres inorganiques, alors que l’hydroxyapatite est communément préparée par précipitation en voie aqueuse. Ces approches n’étant pas adaptées à la mise en forme des matériaux par électrofilage, la synthèse sol-gel a été privilégiée dans ce travail. Plusieurs critères d’importance ont été pris en compte pour la formulation et le dépôt de systèmes sol-gel de bioverre et de phosphate de calcium. En particulier, les solutions doivent présenter des propriétés visco-élastiques adaptées au procédé d’électrofilage, mais également favoriser le dépôt de filaments adhérents et homogènes en morphologie et en composition. Les protocoles développés dans cette thèse incluent par conséquent le dépôt d’une sous-couche d’accroche par enduction centrifuge en amont de l’électrofilage, ainsi qu’une étape de traitement thermique post-électrofilage permettant l’obtention de matériaux purement inorganiques et exempts de phases toxiques. Alors que les synthèses sol-gel des verres bioactifs et des phosphates de calcium sont habituellement préparées à partir de précurseurs nitrate, les composés acétate se sont montrés mieux adaptés à l’application visée. Les filaments d’hydroxyapatite ont de plus été déposés sur un implant dentaire de géométrie complexe, prouvant le potentiel applicatif du protocole établi. Par ailleurs, l’intérêt de la structure fibreuse des revêtements ainsi qu’une comparaison des deux compositions chimiques ont été évalués in vitro. Enfin, une ouverture sur la méthode d’électro-impression, capable de moduler à souhait la porosité et l’organisation des revêtements à l’échelle même du filament, est proposée.

Because of its biocompatibility and interesting mechanical properties, the titanium alloy TA6V is commonly used in implantology. Its lack of bioactivity is however responsible for the implants loosening, eventually leading to the necessity of a revision surgery. In this context, inorganic coatings have been developed throughout this thesis, with the aim of improving osteointegration of TA6V implants. To this end, two materials, already reported to be osteoconductive, have been compared: the bioactive glass 45S5 (molar composition: 46.1% SiO2, 24.4% Na2O, 26.9% CaO and 2.6% P2O5) as well as the carbonated hydroxyapatite. Also, these materials have been shaped in the form of micro-sized filaments, via the electrospinning process. The historical synthesis of 45S5 bioglass involves the melt-quenching technique, while hydroxyapatite is commonly prepared by wet precipitation method. These approaches are not compatible with the electrospinning process, therefore sol-gel synthesis has been preferred in this work. Several important requirements were taken into account for the formulation and the deposition of bioglass and calcium phosphate sol-gel solutions. In particular, the solutions need viscoelastic properties suitable for electrospinning. They also have to favour the deposition of filaments with homogeneous morphology and composition. To this end, acetate precursor revealed themselves more adapted to our application compared to nitrates compounds commonly reported in the literature for sol-gel synthesis. In addition, the upstream deposition of an adhesive undercoat by spin-coating is proposed to enhance the adhesion of fibers on the TA6V substrate. Also, a thermal treatment post-electrospinning enables the obtaining of purely inorganic materials proof against toxic phases. The benefits of the fibrous structure of the coatings, as well as a comparison between the two chemical compositions (45S5 or hydroxyapatite) were assessed in vitro. Also, as a proof of concept, dental implants with complex geometries were coated with hydroxyapatite filaments. Finally, an opening on the electro-writing process, capable of controlling the deposition of the coating at the filament scale, is exposed.