Phosphate Pharmacotechnie Biomatriaux Nanostructured bioceramic coatings deposited by

Phosphate – Pharmacotechnie - Biomatériaux Nanostructured bioceramic coatings deposited by low energy plasma for medical implants Revêtements de biocéramiques nanostructurés obtenus par projection plasma à basse énergie pour implants médicaux NANOMED 2 1

Préambule Accroissement de la durée de vie Exigences pour une bonne qualité de vie Développement de la chirurgie régénérative et des dispositifs médicaux implantés Fort accroissement de la demande d'endoprostheses 110 000 implants dentaires pour la France (2002) (168 000 en Espagne; 409 000 en Italie et 419 000 en Allemagne) 130 000 prothèses de hanche implantées annuellement en France (dont 15% de reprises) Durée de vie moyenne des prothèses: 15 – 20 ans 2

Préambule Prothèses et implants pour tissus durs Utilisation de métaux bioinertes (Titane et ses alliages TA 6 V) Réponses de l'organisme : - Formation tissu fibreux mauvaise biointégration de l'implant - Contact direct os-implant ostéointegration(1) Amélioration de l'ostéointegration ? 1. Rugosité de surface (ancrage mécanique) sablage attaque acide 2. revêtements Bioactifs – (ancrage chimique) Hydroxyapatite (1) Le Guehennec L. et al. Dental materials, 23 (2007) 3

Préambule Hydroxyapatite ? Composition chimique : Ca 10(PO 4)6(OH)2 Analogie structurales avec le mineral osseux Biocompatibilité Osteoconductivité (osteoinductivité ? ) 4

Préambule Comment obtient-on des revêtements de HA ? Projection Plasma Procédé industriel le plus utilisé Amélioration de la fixation des implants et favorisent la croissance osseuse HA Feedstock Anode (-) 80 -150 m Coating Cathode (+) Plasma Gas Plasma Arc Molten particles 5

Préambule Controverse Bonne adhésion au substrat Industriellement contrôlé Decomposition de HA Formation de Ca. O, TCP, TTCP and an amorphous phase (ACP) ACP (+ Ca. O) Ca. O + melt TCP+TTCP OHAp HA Dégradations (craquelures, écaillage) fixation altérée, inflammation … 6

Préambule Solutions ? 1. Amélioration des paramètres de projection 1. Utilisation d'apatites plus stables thermiquement que HA Par exemple : * Fluorhydroxyapatite 50 : Ca 10(PO 4)6(OH)F * Fluorapatite : Ca 10(PO 4)6 F 2 * Chlorapatite : Ca 10(PO 4)6 Cl 2 * Strontium Chlorapatite : Ca 10 -x. Srx(PO 4)6 Cl 2 7

Objectifs Construction d'une nouvelle mini-torche plasma “basse énergie” Elaboration de poudres adaptées Caractérisations physico-chimique Test biologiques 8

Objectifs Nanomed 2 project Hydroxyapatite Cells culture Powders development Coatings characterization Scale up Animal implantation LEPS system 9

Construction d'une mini-torche LEPS device 10

Développement des poudres Synthèses et caractérisation de différentes apatites Hydroxyapatite : poudre commerciale Chlorapatite: solide-gaz Fluorhydroxyapatite : co-precipitation Chlorapatite strontique : réaction en sel fondu Evaluation et stabilité thermique 11

Développement des poudres Hydroxyapatite : New commercial powder Preparée par co-precipitation en milieu aqueux Calcinée and identifiée par DRX selon la norme ISO 13779 -3: 2008 Granulométrie : 50 - 80 µm Ca/P = 1. 67 Ca. O test négatif 12

Développement des poudres Chlorapatite: réaction Solid-gaz 2 NH 4 Cl (v) + Ca 10(PO 4)6(OH)2 (s) Ca 10(PO 4)6 Cl 2 (s) + 2 NH 3 (v) + 2 H 2 O (v) T = 950 °C Argon granules de HA NH 4 Cl Conversion totale après 30 minutes Méthode de synthèse simple et rapide, facilement transposable à l'échelle industrielle 13

Développement des poudres XRD Cl. A: Hexagonal Monoclinic (185 -210°C) (2) JCPDS : 01 -70 -1454 Cl. A HA 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2 Theta (°) Poudres minéralogiquement pures (2) Elliott J. C. Structure and chemistry of the apatites and other calcium orthophosphates (1994) 14

Développement des poudres Coulabilité Granulometrie 100 g de powder durée (sec) Poudre HA Durée (sec) 27” 26 Cl. A Small sized particles 4” 75 Mesures conformes à la pharmacopée Européenne La poudre de Cl. A est naturellement adaptée à la projection plasma 15

Développement des poudres Avantages de la Chlorapatite Synthèse par réaction solide-gaz à partir d'un produit industriel Réaction rapide et facilement transposable industriellement. Poudre adaptée à la projection plasma. Inconvénient des autres poudres Nouvelle Synthèses (Fluorhydroxyapatite, Fluorapatite) agglomeration des particules problèmes de coulabilité Elaboration de la chlorapatite strontique par une méthode difficilement industrialisable 16

Détermination des paramètres de projection Paramètres de projection Basse energie: 13 k. W Limite la décomposition Stand-of-distance: 40 mm dépôts de faible épaisseur sur faible diamètre de flamme petits implants Conventional APS LEPS mini torch SOD: 80 à 100 mm SOD: 40 mm Energy: 20 – 40 k. W Energy: 13 - 15 k. W Conventional torch diameter Mini torch flame diameter > optimisation des paramètres et du design pour la projection de petites particules 17

Caractérisation des dépôts Micro-Spectroscopie RAMAN 1 PO 4 Analyses semi-quantitatives HA 3 PO 4 4 PO 4 2 PO 4 HA powder HA-coating Hydroxyapatite HA coating 1 PO 4 band Amorphous phase decomposition Oxyapatite HA powder 200 400 600 800 1000 1200 -1 Raman shift (cm ) 910 920 930 940 950 960 970 980 Raman shift (cm-1) Présence de phase amorphe Formation d'oxyapatite 18 990

Caractérisation des dépôts Micro-Spectroscopie RAMAN 3 PO 4 4 PO 4 2 PO 4 1 PO 4 Analyses semi-quantitatives Cl. A coating Chlorapatite 1 PO 4 band decomposition Oxyapatite Amorphous phase Cl. A powder 400 500 600 700 800 900 1000 -1 Raman shift (cm ) 1100 1200 910 920 930 940 950 960 Raman shift (cm-1) 970 980 Quantité de phase amorphe très faible dans les dépôts de Cl. A 19 990

Caractérisation des dépôts Microstructure des dépôts Analyses locale par microspectroscopie Raman Cl. A Partially recrystallized splat 2 µm 930 OA ACP 940 950 960 970 980 990 Raman shift (cm-1) Cl. A Recrystallized particles OA ACP 2 µm 930 940 950 960 Raman shift 970 (cm-1) 20

Caractérisation des dépôts La spectroscopie Raman permet une analyse locale semi-quantitative de l’hétérogénéité des dépôts Identification et imageries différentes phases ( ACP, HA (ou Cl. A) et OA dans les dépôts Resine coating substrat 21

Caractérisation des coatings Adhésion des dépôts en conformité avec les normes ASTM Standard adhesion test ASTM C 633 -01 adhesive coating Force (KN)** Adhesion** N/mm 2 (MPa) Hydroxyapatite 4. 80 ± 0. 35 9. 78 ± 0. 72 Chlorapatite 4. 02 ± 0. 88 8. 18 ± 1. 80 coating* * HA and Cl. A 12 passes **Average performed on 4 samples of each composition 22

Evaluation biologique Cytotoxicité du dépôt Adhésion et proliferation de cellules ostéoblastiques Implantations chez le mouton sheep (ENVT) 23

Evaluation biologique Evaluation of coating cytotoxicity 24

Evaluation biologique Adhésion et prolifération des Osteoblastes Adhésion et prolifération des cellules osseuse Pas de différences significatives entre HA et Cl. A 25

Evaluation biologique Evaluation in vivo Implantation Sites intra osseux : 2 femurs and 2 humerus 2 implants par site 8 implants par mouton 2 temps d'implantation : 2 et 6 mois 5 moutons par durée d'implantation Explantation procedure 26

Conclusion Mini-torche fonctionelle construite Plusieurs méthodes de synthèse ont été testées Les dépôts de HA et Cl. A montrent une bonne crystallinité 50% pour HA et 98% pour Cl. A. Faible taux de phase amorphe dans les dépôts de Cl. A. Visualisation de l'hétérogénéité des dépôts par imagerie Raman. Les dépôts en Cl. A semblent prometteurs 27

Perspectives Achever les analyses des explants Caractériser quantitativement l'hétérogénéité des dépôts et corréler avec le comportement biologique Mettre au point des analyses unitaires des prothèses revêtues Réaliser et tester des dépôts d'apatites strontique 28

Remerciements Inasmet-Tecnalia, San Sebastian – Spain Maria PARCO Inigo BRACERAS Projection Plasma System Teknimed Monbazens - FRANCE L’Union - FRANCE Gérard COLLONGES ENVT Toulouse - FRANCE Didier MATHON Stéphane GONCALVES INSERM – CHU Rangueil Toulouse - FRANCE Anne BROUCHET

Bilan scientifique: Une thèse soutenue (Imane DEMNATI) 2 publications 4 communications dans des congrès internationaux Four tubulaire équipé Participation à l’achat d’un spectromètre Raman 30