LES BIOCERAMIQUES. D. Bernache-Assollant Professeur/ Directeur Centre Ingénierie et Santé ENSM-SE

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Arsène Gaudet
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1 LES BIOCERAMIQUES D. Bernache-Assollant Professeur/ Directeur Centre Ingénierie et Santé ENSM-SE 1

2 F Plan La céramique : une grande famille Les biocéramiques : L état de l art Les perspectives 2

3 La Céramique Une grande famille 3

4 Domaines d utilisation - Secteur traditionnel : sanitaire, tuiles, vaisselle - Secteur technique : nucléaire, électronique, thermo-mécanique médical Les points communs Réfractaires : Alumine (Al 2 O 3 ) 2020 C Fragiles Pas de fusion, pas d usinage 4 Même protocole de fabrication pour toutes les céramiques

5 La fabrication : 3 étapes Mise en forme Chauffage Extration Synthèse chimique poudre Préforme Frittage Pièce T < T fusion Mémoire 5 Al 2 O 3

6 CLASSIFICATION DES BIOCERAMIQUES Oxydes : alumine (Al 2 O 3 ) et zircone (ZrO 2 ) Phosphates de calcium : hydroxyapatite et phosphate tricalcique Bioverres Bioréactivité Durée d implantation (jours) RESORBABLES ACTIVITES EN SURFACE (1985) INERTES (1970) Phosphate tricalcique Ca 3 (PO 4 ) 2 Hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Bioverres (SiO 2, CaO, P 2 O 5, Na 2 O) Alumine (Al 2 O 3 ) Zircone (ZrO 2 ) 6

7 PREMIERE GENERATION Les céramiques bioinertes 7

8 HANCHE Os illiac Tête du fémur Cupule Tige fémorale Ciment 8

9 Prothèses totales de hanche Historique 1958 : remplacement total par Sir Charnley ( ) : bille en acier et cupule en polyéthylène Introduction du polyéthylène à très haut poids moléculaire (UHMWPE) Introduction des biocéramiques : 1974 : utilisation clinique du couple alumine (Al 2 O 3 )/ UHMWPE 1986 : utilisation clinique du couple zircone (ZrO 2 )/ UHMWPE Plus de de PTHs implantées par an : 3,9 milliards de dollars en

10 INCONVENIENTS DES METAUX Milieu physiologique : ph = NaCl : 140 mm/l Corrosion : relargage de cations Usure : dégradation de la surface, augmentation du coefficient de frottement débris de polyéthylène descellement 10

11 PROTHÈSE DE HANCHE - débris de PE Usure tête-cupule Débris de PE Osteolyse Descellement de la prothèse après 10 ans in-vivo Solution: éliminer la cupule PE couple M-M ou C-C 11

12 BIOCERAMIQUES INERTES - Alumine Alumine 1970 Al 2 O 3 Inertie Usure: faible Coefficient de frottement faible et stable 12

13 BIOCERAMIQUES INERTES - Alumine 13

14 ALUMINE Matériau pur La maitrise des microstructures Microstructure (ISO , ISO ) Taille des grains < 4,5 µm Densité > 3,94 R a < 0.02 µm 14 Flexion : 400 MPa Os : 120 MPa Ténacité : 4 MPa m 1/2 Os : 5/10 MPa m 1/2 Fracture : 2 têtes /3000 (L. Sedel 80-98) 28 mm

15 BIOCERAMIQUES INERTES - Zircone ZIRCONE ZrO ZrO % masse Y 2 O 3 TZP La maitrise de la microstructure et des phases quadratique Monoclinique (+ 4% vol.) Résistance : MPa 15 L. Gremillard 2002 Ténacité : 8-10 MPa m 1/2 Rigidité : 200 GPa Taille des grains < 0,6 µm Densité > 6 Rugosité Ra < 0,03 µm Pas de stérilisation en autoclave

16 Test de choc Forces exercées Force d'impact vs vitesse d'exécution DESCENTE D'ESCALIERS Force d'impact (*Poids du corps) Vitesse (km/h) 16 La force d impact peut s élever à plus de 12 fois le poids du corps!

17 17

18 Résultats expérimentaux Essai de fatigue zircone/zircone : pas de dégradation observée après 5 millions de cycles. Essai de chocs : après 8000 chocs Après 8000 chocs : µm y x µm x (mm) y (mm) 18 Thèse J Hausselle CIS- Ecole des MInes

19 Avantages et inconvénients des céramiques inertes Al 2 O 3 -ZrO 2 Avantages - Très bonne tolérance - Frottement faible - Stabilité dans le temps Inconvénients : - Fragilité (chocs) - Rigidité trop grande - Liaison par un tissu fibreux % du marché

20 BIOCERAMIQUES INERTES - Les vitrocéramiques Intérêt inertie et esthétisme Sofraced Composition : SiO 2 : 59% Al 2 O 3 :15 % Na 2 O : 10 % K 2 O : 10 % CaO ZrO 2 MgO B 2 O 3 SnO 2 20

21 Protocole de synthèse Fusion 1350 C C - cristallisation 1000 C - broyage 21

22 Le couple céramo métallique 8,5 Dentine 8,5 Dentine opaque 8,5 Opaque 8,9 Bonder 9,2 Métal 15 Coefficient de dilatation C -1 9, C -1 Ti Cr/Co ; Ni/Cr

23 DEUXIEME GENERATION (1980) Les céramiques bioactives En surface : Hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Résorbables : Phosphate tricalcique Ca 3 (PO 4 ) 2 La maitrise des microstructures et de la chimie 23

24 OS Minéral apatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Ca/P = 1,66 Os cortical : apatite carbonatée Ca 8,3 (PO 4 ) 4,7 (HPO 4,CO 3 ) 1,3 (OH,CO 3 ) 0,3 Ca/P = 1.61 Résistance en flexion: MPa Ténacité : 5/10 MPa m 1/2 24 Rigidité : 7-25 GPa

25 CERAMIQUES BIOACTIVES - Hydroxyapatite Na + Sr 2+ Pb 2+ Mg 2+ Ba 2+ La 3+ U 4+ Pu 4+ Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 M 10 (XO 4 ) 6 Z 2 HPO 2-4 CO 2-3 SiO 4 4- Cl- Br- F- CO 3 2- O 2- Os cortical Ca 8,3 (PO 4 ) 4,7 (HPO 4,CO 3 ) 1,3 (OH,CO 3 ) 0,3 25 Apatites synthétiques Ca 10-x x (PO 4 ) 6-x (HPO 4 ) x (OH) 2-x x Ca/P = (10 - x)/6 <1.66

26 HAP - Synthèse 10Ca OH + 6 H PO Ca ( PO ) OH + 18H O ( ) ( )

27 Frittage des pièces en apatite Ca/P = (10 - x)/6 <1.66 Décomposition thermique Ca 10-x (PO 4 ) 6-x (HPO 4 ) x (OH) 2-x Frittage 1200 C (1- x) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 3x Ca 3 (PO 4 ) 2 + x/2 H 2 O (1 - x) HAP + 3x TCP 27 X = 1 Ca 9 (PO 4 ) 5 (HPO 4 )(OH) TCP

28 Frittage des pièces en apatite Apatites carbonatées Décomposition thermique 3 Ca 10-y y (PO 4 ) 6-2y (CO 3 ) 2y (OH) 2 Ca/P > C (3-y) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 7y CaO + 6y CO 2 + y H 2 O 28

29 Décomposition thermique des phosphates Phosphate tricalcique Ca 9 (PO 4 ) 5 (HPO 4 )(OH) Hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) Composé synthétique 1.66 Ca/P TCP β + HAP Solubilité!!!! HAP HAP + CaO CaO ph!!! 29 TCP β Ca 3 (PO 4 ) 2 Après Frittage à 1200 C HAP Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Ca/P

30 Résistance mécanique des substituts en phosphate Résistance à la rupture (MPa) TCP C % massique TCP HAP0 Résistance en flexion : 120 MPa Ténacité : 1 MPa m 1/ ,5 1,55 1,6 1,65 Rapport Ca/P

31 Globe oculaire - Osselets de l oreille - Globe oculaire 31

32 BIOCERAMIQUES ACTIVES - Bioverres Composition chimique 45% SiO % CaO 24.5 % Na 2 O 6 % P 2 O 5 Bioverre Si SiO2 C3POs Ca 32 Propriétés mécaniques: flexion 150 MPa, K 1c : 1MPa m 1/ (µm)

33 LES CERAMIQUES BIOACTIVES - Résorbables Le phosphate tricalcique β Ca 3 (PO 4 ) 2 TCP OS Déprotéiné Les composites HAP 70 / TCP 30 Substituts osseux de comblement 33

34 CERAMIQUES Biphasiques Utilisations 1 mm Thèse F. Lelièvre

35 CERAMIQUES BIOACTIVES Utilisations Résistance en flexion :120 MPa Ténacité : 1 MPa m 1/2 (très fragiles) Substituts osseux - Cages intervétébrales - Coins d ostéotomie 35

36 PROPRIETES MECANIQUES ENERGIES DE FRACTURE - Fragilité Energie de fracture (kj / m) Si3N4 SiC Métal ductile Alliage Ti Alliages Al Métaux à clivage, basse T Beryllium Propyléne Polyéthylène Polystyrène Polycarbonates PMMA Epoxy Polyester fibres de verre bois ciment renforcé Cermets 10-2 Al2O3 verre 10-3 glace 36

37 HAP (MPa) Carbone époxy Os Zircone Alumine Cr Co Mo Alliage Titane Carbone- ceramique Carbone- carbone Ciment PMMA Polyethylene PROPRIETES MECANIQUES Ceramiques Métaux Alliages Composites Os 37 Plastiques

38 HAP MODULES DE YOUNG Zircone Alumine Alliages Cr Co Mo Allages titane Aciers inox Carbone époxy Carbone ceramique Carbone carbone Os cortical Os Polyester Ciment PMMA Polyethylene (GPa) Ceramiques Alliages composites 38 Os plastiques

39 AVENIR DES BIOCERAMIQUES -Traitements de surface - dépôts DLC - dépôts basse température biomimétisme (antibiotiques) - fonctionnalisation matériaux hybrides (ostéoinduction) - Les matériaux composites (organiques, nano..) - Des nouveaux procédés de mise en forme 39 - Les céramiques injectables : ciments phosphatés - Les bioverres poreux - Le prototypage

40 LES TRAITEMENTS DE SURFACE - Fonctionnalisation 40 K. Anselme, Biomat, 2000, 21, 667

41 Fonctionnalisation : Greffage de séquences RGD sur TA6V 41 M. Porté Durieu et al Biomat, 2004, 25, 4837

42 LES NOUVEAUX PROCEDES Application de la stéréolithographie à la production d implants céramiques Image scanner Modèlisation numérique 3D modèle 3D de la pièce Digitalisation par tranches 42 Fabrication CTTC Limoges

43 43 MERCI

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