Procédé innovant pour la production en continu d’hydroxyapatite: De l’étude fondamentale à l’amélioration qualitative du produit et du procédé – Innov’HAP

La stratégie développée dans ce projet est basée sur l’association de trois approches complémentaires : (i) une étude fondamentale des différentes étapes impliquées dans le procédé de production de poudre (i.e cristallisation, lavage, séchage et calcination), (ii) le développement d’outils adaptés pour de la caractérisation à une échelle locale (incluant l’utilisation de systèmes micro fluidiques adéquats), et finalement (ii) l’exploitation des données obtenues précédemment en vue de la mise en place et l’évaluation d’un procédé continu efficace.

Ce projet, prévu pour une durée de 48 mois, associe deux laboratoires académiques reconnus (CIRIMAT et LGC) dans les domaines de la Science des Matériaux, des Sciences Pharmaceutiques et du Génie Chimique, ainsi qu’un partenaire industriel (Urodelia S.A.). Tous les partenaires sont impliqués dans des activités de développement dans le domaine des technologies liées à l’os. La qualité et la complémentarité de l’expertise des membres du consortium constituent une des forces de ce projet, qui devrait à moyen terme permettre la création d’une plateforme locale (Midi-Pyrénées) sur le traitement et la synthèse de poudres destinées à des applications médicales.
La proximité géographique des partenaires devrait nous permettre d’adapter en « temps réel » les qualités de la poudre et le procédé. De plus, ceci nous permettra aussi de définir des tâches impliquant simultanément l’HAP en tant que matériau et son procédé de production

Pour arriver aux objectifs, le projet Innov’hap est divisé en 6 principales taches :
-Tache 0: Management de projet et aspect organisationnel
-Tache 1: Etude de la précipitation d’HAP
-Tache 2: Contrôle de la taille à différentes étapes du procédé
-Tache 3: Caractérisation des matériaux et instrumentation
-Tache 4: Transfert (de l’échelle pilote au procédé continu)
-Tache 5: Validation des performances des revêtements (chimie, mécanique, biologie)

Le projet a permis de déterminer l’impact, pour chaque étape du procédé, des conditions opératoires sur l’agglomération d’hydroxyapatite stœchiométrique (ex : la distribution granulométrique, la morphologie), et sur l’évolution des phases en présence (ex : rapport molaire Calcium/Phosphate). D’après les résultats obtenus, la période la plus critique est le début de la synthèse. En effet, c’est le moment où les variations de pH sont les plus importantes et où les agglomérats de grande taille sont formés.
En parallèle de cette activité, une nouvelle voie innovante a été développée. Cette voie innovante dépasse nos attentes, car elle présente des conditions d’élaborations facilement maitrisables (pH, température ambiante), une stabilisation de la qualité des produits liés à la chimie mise en œuvre, un gain de temps conséquent et un passage à la production en continu facilité.
L’intensification et les changements d’échelles successifs (de la paillasse, jusqu’au semi-pilote) de la production de poudre d’hydroxyapatite furent ainsi réalisés sur la voie innovante que nous avons préférée à la voie classique. La poudre ainsi obtenue a été utilisée dans des conditions industrielles pour le revêtement par torche plasma de pions d’alliage de titane (mimant ainsi les prothèses). Les caractérisations et tests biologiques, mécaniques et physico-chimiques ont été conduits avec succès par des prestataires externes reconnus dans le domaine en suivant les normes des séries ISO 13779 et ISO 10993.

Le procédé exploitant la voie innovante présente de nombreux avantages, comparé au procédé de production d’HAP communément utilisé : amélioration de la reproductibilité de la synthèse, économies d’énergie et amélioration de la sécurité des opérateurs. Le développement à l’échelle pilote (1-5 Tonnes/an) de ce procédé innovant fait donc naturellement l’objet d’une maturation qui sera poursuivie au-delà du projet Innov’Hap dans le cadre de transfert de savoir-faire ou/et d’une création de start-up portée par des membres de ce projet.
En parallèle de cette action de valorisation, une réflexion est menée pour adapter les paramètres des procédés d’élaboration afin de produire des poudres d’hydroxyapatite pour la fabrication additive.

- Déclaration d’invention (Ref : I-16-1588) donnant lieu à une valorisation de « savoir-faire » par Toulouse Tech Transfert (2016) inventeurs : P. Gras, C. Rey, N. Abi Chebel, C. Frances, M. Tourbin, F. Brouillet, D. Grossin.
- L. Fontaine, M. Tourbin, F. Brouillet, N. Rouquet, D. Grossin, C. Frances. “ Effet des conditions de synthèse sur l’agglomération d’hydroxyapatite stœchiométrique “ (oral). Colloque Science et Technologie des Poudres et Matériaux Frittés - STPMF 2015, April 8-10, 2015, Nancy-France
- L. Fontaine, C. Frances, D. Grossin, N. Rouquet, F. Brouillet, M. Tourbin. “Effect of processing parameters on the agglomeration of stoichiometric hydroxyapatite during the synthesis and maturation phases” (poster). ECCE10, 10th European Congress of Chemical Engineering, September 27- October 1st, 2015, Nice-France.
- B. Galey, M. Tourbin, P. Gras, N. Abi Chebel, N. Rouquet, F. Brouillet, D. Grossin, C. Frances. “Effect of synthesis process parameters on stoichiometric hydroxyapatite properties” (poster). CHISA, 22nd International Congress of Chemical and Process Engineering, August 28-31, 2016, Prague-Czech Republic.
- J. Torres Merino, E. Rivera Muñoz, B. Millán Malo, C. Peza Ledesma, F. Brouillet, D. Grossin, C. Frances, M. Tourbin. “Evaluation des performances d'un procédé de séchage par atomisation d'hydroxyapatite » (poster). 16ème Congrès de la Société Française de Génie des Procédés – SFGP 2017, July 11-13, 2017, Nancy-France.
- Fontaine, Laura, Mallorie Tourbin, Fabien Brouillet, Nicole Rouquet, David Grossin, and Christine Frances. 2015. “Effet des conditions de synthèse sur l’agglomération d’hydroxyapatite stœchiométrique.” In Récents Progrès en Génie des Procédés. Vol. 107. Nancy: SFGP.

Les pathologies ostéo-articulaires sont, à tous âges, la première cause de handicaps et soulèvent des problèmes au niveau économique et dans les soins de santé. De nos jours, l’utilisation des prothèses métalliques en tant que substitut osseux est très largement répandue dans le traitement de ces handicaps et notamment ceux liés aux pathologies du genou ou de la hanche. Dans de tels cas, un revêtement d’hydroxyapatite (HAP) est souvent appliqué à la surface de ces dispositifs implantables de façon à améliorer la qualité de l’interface os-prothèse et ce, dès les premiers temps suivant l’opération chirurgicale, ceci permettant d’envisager une plus grande stabilité des prothèses dans le temps. Ces considérations s’avèrent d’autant plus importantes au vue des statistiques sur le vieillissement croissant de la population.
Les caractéristiques de la poudre d’HAP utilisée dans le procédé de revêtement jouent un rôle essentiel notamment dans l’ostéo-intégration et la durée de vie des prothèses. Une poudre d’HAP à haute performance dont les caractéristiques sont adaptées au procédé de revêtement est ainsi nécessaire. A ce jour, les procédés industriels en batch fonctionnent principalement avec des conditions opératoires définies généralement de façon semi-empirique et nécessitent d’être optimisées. De la même manière toutes les caractéristiques physico-chimiques des poudres obtenues ne sont pas toujours prises en compte lors du développement de ces procédés. De faibles rendements ainsi qu’une distribution large de tailles de particules apparaissent comme étant deux paramètres limitant lorsqu’il s’agit d’envisager le développement d’un procédé plus rentable et devant permettre l’obtention de poudre pour des revêtements de plus haute qualité.

Les poudres d’HAP destinées à des applications biomédicales font, depuis de nombreuses années, l’objet de recherches importantes dans des laboratoires tels que le CIRIMAT et le LGC ainsi que dans certaines PME (Petites et Moyennes Entreprises) ; toutefois l’optimisation des procédés production n’a jamais été étudiée en profondeur.

Les objectifs de ce projet sont, en tenant compte des considérations précédentes, de mettre en place et d’étudier un procédé innovant pour la production continue de poudre d’hydroxyapatite via une approche globale et multidisciplinaire qui englobe des aspects plus fondamentaux jusqu’à la recherche de performances améliorées du produit et du procédé. La stratégie qui sera développée dans ce projet est basée sur l’association de trois approches complémentaires : (i) une étude fondamentale des différentes étapes impliquées dans le procédé de production de poudre (i.e cristallisation, lavage, séchage et calcination), (ii) le développement d’outils adaptés pour de la caractérisation à une échelle locale (incluant l’utilisation de systèmes micro fluidiques adéquats), et finalement (ii) l’exploitation des données obtenues précédemment en vue de la mise en place et l’évaluation d’un procédé continu efficace.

Ce projet, prévu pour une durée de 48 mois, associe deux laboratoires académiques reconnus (Institut Carnot CIRIMAT et LGC) dans les domaines de la Science des Matériaux, des Sciences Pharmaceutiques et du Génie Chimique, ainsi qu’un partenaire industriel (Biopowders SARL). Tous les partenaires sont impliqués dans des activités de développement dans le domaine des technologies liées à l’os. La qualité et la complémentarité de l’expertise des membres du consortium constituent une des forces de ce projet, qui devrait à moyen terme permettre la création d’une plateforme locale (Midi-Pyrénées) sur traitement et la synthèse de poudres destinées à des applications médicales.
La proximité géographique des partenaires devrait nous permettre d’adapter en « temps réel » les qualités de la poudre et le procédé. De plus, ceci nous permettra aussi de définir des tâches impliquant simultanément l’HAP en tant que matériau et son procédé de production