Matériaux architecturés de phosphate de calcium substitué pour implants osseux bioactifs – ArchiCaP

Pour atteindre les objectifs précédemment décrits, le développement et l’acquisition de nouvelles connaissances et savoir-faire en matière de matériaux, de caractéristiques mécaniques, de biologie des tissus osseux, de technologies de projection thermique et d’industrialisation de procédés sont nécessaires.
• WP 1 / Revêtements, produits et processus
Ce lot de travail vise à: (i) fournir un revêtement d'apatite substitué nanostructuré imitant la chimie et les dimensions de la partie inorganique de l'os naturel optimisé pour ses performances mécaniques et biologiques; (ii) évaluer l'intérêt économique des processus explorés; (iii) évaluer leur capacité à traiter des pièces de différentes tailles et formes.
• WP 2 / Caractérisations physiques et mécaniques
Ce lot de travail vise à décrire les surfaces et les interfaces (caractéristiques physiques et chimiques) et à établir les caractéristiques mécaniques. Pour effectuer l'évaluation de la qualité des revêtements de phosphate de calcium, les caractéristiques physiques et mécaniques suivantes seront étudiées: rugosité / texture, charge / énergie de surface, force d'adhérence / cohésion et contraintes résiduelles. Des développements mécaniques expérimentaux et numériques dédiés sont en cours.
• WP 3 / Caractérisations biologiques in vitro et in vivo
Ce lot de travail vise à établir le comportement biologique des implants revêtus avec des phosphates de calcium non substitués et substitués et à élucider certains des effets physiques (y compris l'adhésion, la prolifération et la différenciation des MSC, des activités antibactériennes et des tests in vivo), chimiques et de structure des phosphates de calcium substitués sur les propriétés ostéoinductives.
Trouver le lien entre ces 3 sujets est le point clé de notre méthode.

La première phase du travail de thèse de M. Chambard a permis de choisir trois protocoles de synthèse de phosphates de calcium. Les principaux paramètres qui distinguent ces synthèses sont : le pH, la température de synthèse, la vitesse d’ajout des réactifs et le temps de maturation. Les étapes de lavage, séchage et dispersion déterminent également les caractéristiques rhéologiques des suspensions. Ainsi les poudres synthétisées sont de l’hydroxyapatite soit stœchiométrique soit biomimétique cad déficiente en calcium et carbonatée. Le dosage du rapport Ca/P est inférieur à 1.5 pour deux des poudres et de 1.66 pour la troisième. Les premières analyses rhéologiques montrent que les trois systèmes sont réofluidifiants mais que leur état dépend du degré de vieillissement. En parallèle de cette étude, des revêtements de référence commerciaux ont été élaborés par projection plasma APS à partir de deux lots de poudres différentes (frittées-broyées ou agglomérées-séchées) et caractérisés. Les efforts ont particulièrement porté sur de l’analyse par spectroscopie Raman pour l’identification de phases (présence d’ACP et d’oxyapatite en plus de l’hydroxyapatite majoritaire) mais aussi pour la cartographie des phases. Ces cartographies peuvent être réalisées soit sur des coupes transversales polies et permettent de mettre en évidence la présence régulière d’ACP soit en surface. En complément de cette approche structurale de la surface du revêtement une étude surfométrique a été débutée et met en évidence là aussi une différence entre les deux types de poudre. Le travail de corrélation des résultats Raman et topographiques a également été débuté. Les caractérisations mécaniques et biologiques ont commencé.

Les avantages scientifiques et techniques attendus du projet ArchiCaP sont les suivants:
• Mieux comprendre et contrôler les caractéristiques physiques et chimiques (composition, distribution de phase, propriétés de surface) des revêtements de phosphate de calcium influençant l'activité biologique
• Améliorer l'adhérence et la stabilité mécanique initialement et dans les conditions biologiques du revêtement
• Favoriser l'adhésion, la prolifération et la différenciation des cellules osseuses et limiter de manière correspondante la prolifération des bactéries (effet de dopage sur ces deux activités biologiques, valeurs seuil)
• Corréler le comportement structurel, mécanique et biologique in vivo
• Mettre en œuvre un processus peu coûteux, fiable et polyvalent à la fois pour traiter les implants à petite taille, des formes complexes et en matériaux sensibles et à produire des poudres de même matière

Les avantages techniques et économiques du projet ArchiCaP sont potentiellement:
À court terme (dans la durée du projet):
Évaluer le potentiel industriel des deux procédés de pulvérisation thermique pour produire des poudres d'hydroxyapatite multisubstituées et des revêtements bioactifs
Assurer plus de contrôle sur les processus et les produits
Protéger et diffuser les résultats du projet
Échanger le personnel entre les partenaires (en particulier les étudiants de maîtrise et de doctorat)

À moyen terme (dans l'année qui suit la fin du projet):
Pour étendre la gamme des produits et processus des entreprises impliquées et associés
Améliorer les cycles de production et la qualité des produits
Augmenter l'activité des entreprises partenaires et associées et même recruter du personnel
Créer un réseau entre les groupes de recherche français et internationaux

À long terme (dans les cinq ans suivant la fin du projet):
Commercialiser de nouveaux produits (brevetés ou développés au cours du projet)
Avoir de nouveaux projets entre les partenaires français et internationaux

Aucune

En raison du vieillissement de la population, des maladies et des traumatismes nombreux, les besoins de remplacement ou de réparation des tissus osseux s'accroissent régulièrement. En France, plus de 40 000 genoux artificiels et 150 000 prothèses de hanche sont implantés chaque année. 10% nécessitent une reprise, occasionnant ainsi une seconde intervention chirurgicale lourde et coûteuse. Dans ce contexte, le secteur des implants, qui compose une part importante des dépenses de santé, est aujourd’hui en nette croissance (5%/an). Il s’agit en remplaçant une articulation défectueuse, de redonner rapidement aux patients de l’autonomie/mobilité et cela de façon durable. Depuis que les premières prothèses articulaires revêtues d’hydroxyapatite ont été implantées au milieu des années 1980, l’intérêt pour ce type de prothèse ne s’est pas démenti. Les questions actuelles concernent la capacité à disposer d’un revêtement bioactif, antibactérien, mécaniquement stable et à réaliser ce type de revêtement sur toutes les natures et les formes de support en assurant une qualité d’élaboration. Pour répondre à ces enjeux complexes et parfois contradictoires, nous proposons de nouvelles architectures et matériaux pour les revêtements des implants ainsi que de nouvelles interfaces dépôt/implant.

L’objectif du projet est de développer des revêtements à base de phosphates de calcium multisubstitués et architecturés pour une excellente biocompatibilité à court et long termes, une très bonne adhérence sur les prothèses et des propriétés bactéricides. Le projet a donc pour ambition : i) d’évaluer le potentiel de deux nouveaux procédés de projection thermique (la projection plasma de suspensions et le cold spray) pour élaborer ces phosphates de calcium «intelligents», en priorité sous forme de revêtements ; ii) d’adapter les procédés au traitement des implants de toutes dimensions, de formes complexes et en matériaux métalliques, polymériques ou céramiques ; iii) de décrire les effets physiques, chimiques et structuraux des revêtements sur les propriétés ostéinductives ; iv) et de développer de nouvelles approches expérimentales et numériques pour la détermination des propriétés mécaniques (adhésion et cohésion).

Le projet PRCE intitulé ArchiCaP « Architectured substituted calcium phosphate coatings for bioactive bone implants » réunit trois groupes de recherche académiques et une entreprise sur le thème de la réparation des tissus osseux : CIRIMAT de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, LGP de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tarbes, BioTis de l'Université de Bordeaux et 2PS, PME spécialiste du revêtement d'implants orthopédiques par projection plasma.
Ce consortium multidisciplinaire en science et génie des matériaux, biologie et systèmes industriels s’appuiera sur le CRIOAC-GSO ainsi que sur deux équipes internationales (Universités de Sherbrooke et de Barcelone) reconnues dans la maîtrise des nouveaux procédés de projection thermique.