Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS)

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Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Limoges
Ecole Nationale Supérieure de Céramique Industrielle (ENSCI)


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Biocéramiques fonctionnalisées

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Eric CHAMPION : eric.champion unilim.fr


Contexte/objectifs

Notre principale orientation est la fonctionnalisation de biocéramiques phosphocalciques. Il s’agit de développer des dispositifs médicaux implantables ostéoinducteurs, par greffage de molécules favorisant le processus de biominéralisation, et/ou capables d’assurer un traitement thérapeutique par incorporation et libération contrôlée de principes actifs.

L’activité porte sur la maîtrise des formulations chimiques, des microstructures et des architectures des matériaux pour leur fonctionnalisation thérapeutique et/ou biologique.


Activités

Maîtrise de la chimie des céramiques

L’hydroxyapatite phosphocalcique stoechiométrique Ca10(PO4)6(OH)2 (notée HA) est largement utilisée comme substitut osseux synthétique pour ses propriétés d’ostéoconduction. La structure apatite permet de nombreuses substitutions d’intérêt biologique sur chacun de ses sites ioniques.

Deux orientations sont actuellement développées :

Céramiques d’apatites dopées au silicium

L’intérêt de telles apatites silicatées réside moins dans leur capacité intrinsèque d’amélioration des propriétés biologiques que dans la possibilité qu’offrent les groupements silicates de fournir des sites de greffage covalent privilégiés à la surface de la céramique. Ces sites sont utilisés pour fonctionnaliser la surface des biocéramiques par des molécules actives (protéines d’adhésion, peptides RGD…) dans le processus de minéralisation osseuse.

 
Températures de frittage et décomposition des HA silicatées en fonction de la teneur en Si   Prolifération de cellules ostéoblastes MG 63 sur titane, HA et HA silicatées SixHA (*p <0,05)
Apatites nanocristallines biomimétiques

Contrairement à l’apatite biologique, l’hydroxyapatite synthétique possède une bioréactivité faible directement liée à son caractère fortement cristallisé qui résulte du frittage à haute température. Ce n’est pas le cas des apatites biomimétiques nanocristallines qui sont constituées de nanoparticles d’apatite polysubstituée non stœchiométrique et faiblement cristallisée, entourées d’une couche superficielle hydratée contenant des ions phosphatés non apatitiques de grande mobilité. Une consolidation à très basse température par SPS (Spark Plasma Sintering) permet de préserver ces caractéristiques.

 
Evolutions de la densité et de la composition du matériau après SPS en fonction a) de la pression appliquée et (b) de la température

Microstructures, architectures et fonctionnalisation thérapeutique

Des matrices céramiques phosphocalciques à porosité contrôlée sont développées sous forme de blocs massifs ou de granules sphériques. Dans tous les cas, une porosité adaptée doit être ménagée dans la matrice céramique pour permettre l’inclusion et la libération contrôlée du principe actif, améliorant ainsi la biodisponibilité par l’administration localisée de la substance thérapeutique sur le site à traiter.

Implants massifs à porosité contrôlée

Des microsphères calibrées de polyméthylméthacrylate (PMMA) sont utilisées comme agent structurant (Fig.a). Une nanopoudre d’HA (Fig.b) est dispersée et stabilisée en suspension aqueuse par addition de polyéthylène-imine. Une suspension mixte HA-PMMA est réalisée par mélange des suspensions d’HA et de PMMA. Les potentiels zêta de surface des deux entités solides étant de polarité opposée, l’hétérocoagulation conduit à la formation de structures core/shell (microsphères de PMMA recouvertes par l’HA (Fig.c). Le composite organique/inorganique est alors calciné sous air à 500°C pour éliminer les microsphères de PMMA puis fritté pour obtenir la céramique finale à porosité contrôlée (Fig.d).

(a) microsphères de PMMA, (b) nanoparticules d’HA, (c) microsphère de PMMA recouverte de nanoparticules d’HA, (d) céramique poreuse frittée
Sphéroïdes phosphocalciques poreux

Des sphéroïdes phosphocalciques sont fabriqués par granulation humide à haut cisaillement (procédé pharmaceutique). L’amidon sous forme particulaire est utilisé comme agent liant et joue également le rôle de porogène. La porosité totale après calcination est de l’ordre de 75 %. Les grains calcinés sont alors chargés en ibuprofène, permettant un traitement de l’inflammation post-opératoire, par imprégnation sous vide à partir d’une solution éthanolique. Les courbes de dissolution in vitro démontrent l’intérêt de la calcination pour contrôler et prolonger la libération du principe actif. Après dissolution in vitro, la totalité de la substance active est libérée et les sphéroïdes préservent leur intégrité.

 
Sphéroïdes de TCP (Tri-calcium Phosphate) poreux et cinétique de dissolution (en solution tampon phosphate, pH = 7,48 et 37°C) de l’ibuprofène


Faits marquants

  • Intégration en 2008 des membres du GEFSOD (Groupe d’Etudes de Fonctionnalisation des Soides Divisés - Pharmacie Galénique) de la Faculté de Pharmacie de Limoges
  • Réorientation thématique depuis 2008 vers la fonctionnalisation des biocéramiques (greffage de peptides, adhésion de cellules pré-osseuses, inclusion et libération de principes actifs)
  • Accueil depuis 2010 du Dr. Joël Brie, Chirurgien, Chef du service "chirurgie maxillo-faciale, réparatrice et stomatologie" du CHU de Limoges

Mis à jour le 25 mai 2012

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