Décembre, 2019

12dec9 h 30 min12 h 00 minSoutenance de thèse Clémentine Aubry

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Détails

Procédé innovant utilisant le CO2 haute pression pour la modification et la fonctionnalisation de phosphates de calcium ».

Résumé du projet de thèse
Les substituts poreux d’HA/βTCP sont des substituts osseux largement utilisés aujourd’hui. Cependant ces matériaux céramiques, obtenus à haute température, présentent une surface lisse et peu réactive qui limite leur bioactivité. Le travail présenté se propose de modifier les substituts poreux classiquement utilisés afin d’en améliorer la bioactivité par un remaniement chimique et structural de surface grâce à un procédé utilisant un milieu aqueux acidifié par du CO2 porté à haute pression. L’objectif est ici d’évaluer l’intérêt de ce procédé pour produire un revêtement d’une nouvelle phase de phosphate de calcium (CaP) dont la composition chimique est plus proche de celle de la phase minérale de l’os comme de l’apatite carbonatée mal cristallisée déficiente en ions calcium ou d’autres phases intermédiaires d’intérêt. Dans un second temps, la possibilité d’utiliser ce même procédé pour intégrer des éléments actifs au sein des phases nouvellement créées a été évaluée. Le travail a été réalisé à partir de phosphates de calcium sous forme de poudres d’une part (HA, amTCP et un mélange massique d’HA/amTCP) et de cubes poreux d’autre part (Ceraform®, HA/βTCP 65/35). Différentes techniques de caractérisation ont été utilisées ici afin d’identifier les phases en présence et évaluer les différences morphologiques induites par le traitement : DRX, spectroscopies FTIR et RAMAN, MEB, porosimétrie à Mercure et mesures de surface spécifique (BET Krypton). Les tests réalisés à partir de poudres ont permis de mettre en évidence que ce procédé induit un phénomène de dissolution, principalement de l’amTCP lorsqu’il est présent, et la précipitation de nouvelles phases correspondant à un mélange de phosphate octacalcique (OCP) et d’une apatite carbonatée mal cristallisée (PCCA) incluant un processus de maturation de l’OCP en PCCA. Les tests effectués sur substituts céramiques poreux ont mis en évidence la formation, dans certaines conditions de pression, température, durée de traitement et rapport liquide/solide, d’un revêtement homogène créant une nano-porosité de surface. La possibilité d’intégrer des éléments connus pour leur activité biologique tels que le Zinc, le l’Argent, le Cuivre et le Strontium au sein du revêtement, pendant sa formation, a ensuite été examinée. Des techniques de caractérisation similaires ont été mises en œuvre et ont été complétées par des mesures EDX, ICP ainsi que de tests de libération. L’influence de la nature de l’espèce ionique choisie sur l’intégrité et la morphologie du revêtement a été considérée. Ainsi le zinc et le cuivre ont montré une tendance à inhiber la précipitation de nanocristaux. D’autre part des tests de libération ont permis de montrer que différents mécanismes pourraient être impliqués dans le relargage des espèces ioniques bioactives en lien avec la localisation de ces dernières : dans la structure cristalline ou dans la couche labile des phosphates de calcium précipités mais aussi dans d’autres phases. L’ensemble des résultats obtenus dans cette étude montre que ce procédé de traitement original, en une seule étape, et compatible avec les applications biomédicales, se montre prometteur pour modifier et fonctionnaliser des substituts osseux constitués de céramique poreuse en vue d’augmenter leur bioactivité.

Résumé du projet de thèse en anglais:
Nowadays, HA / βTCP porous scaffolds are widely used as bone substitutes. However, the smooth and unreactive surface of these ceramic materials obtained by high temperature sintering, limits their bioactivity. The target of the present study is to propose a process involving an aqueous medium acidified by high pressure CO2 in order to modify such commercial porous scaffolds by improving their bioactivity, through chemical and structural surface modifications. The objective is firstly to investigate in what extent this process is able to produce a coating made of a new phase of calcium phosphate (CaP), whose chemical composition is closer to that of the mineral phase of natural bone, as well as of a poorly calcium ions deficient crystallized carbonate apatite or other intermediate phases of interest. In a second step, the possibility of using this same process to integrate active elements within the newly created phases has been evaluated. The work was carried out using powders of calcium phosphates on one hand (HA, amTCP and a HA/amTCP mixture) and porous cubic scaffolds on the other hand (Ceraform®, HA/βTCP 65/35 %w/w). Various characterization techniques have been used for new phases identification and evaluation of morphological differences induced by the treatment: XRD, FTIR and RAMAN spectroscopy, SEM, Mercury porosimetry and specific surface measurements (BET Krypton). Experiments from powders made it possible to demonstrate that this process induces a phenomenon of dissolution, mainly of amTCP when it is present in the raw material, and precipitation of new phases corresponding to a mixture of octacalcic phosphate (OCP) and a poorly crystallized carbonate apatite (PCCA), including a process of OCP maturation into PCCA. Experiments carried out on porous ceramic scaffolds evidenced the presence, at the end of the process, and depending on pressure, temperature, treatment time and liquid / solid ratio conditions, of a homogeneous nano-porous surface coating. The possibility of co-integration into the coating of biologically active elements such as Zinc, Silver, Copper and Strontium, was then examined. The same methods were used to characterize the materials, with EDX, ICP analyses and release assays as supplementary characterization tools. Influence of the nature of active elements on the coating integrity and morphology was considered. Thus, the precipitation of nanocrystals has been shown to be partially inhibited by zinc and copper. On the other hand, release tests of bioactive species have evidenced several mechanisms that could be related to their localization into the material: crystalline structure, labile layer of precipitated calcium phosphates, or other new phases. Results obtained in this study show that this original, one-step treatment process, compatible with biomedical applications, is a promising way to modify and increase bioactivity of porous ceramic scaffolds.

Le jury est composé de :

M. Pierre LAYROLLE, Rapporteur

M. Jean-Christophe HORNEZ, Rapporteur

Mme Florence BARRERE DE GROOT, Examinatrice

M. Jacques FAGES, Examinateur

Mme Sophie CAZALBOU, Co-directrice de thèse

Mme Séverine CAMY, Co-directrice de thèse

M. Stéphane GONCALVES, invité

Date et heure

(Thursday) 9 h 30 min - 12 h 00 min

Location

Amphi 4 - faculté de pharmacie

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