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RÉSUMÉ
Les biomatériaux à base de phosphates de calcium (CaP) se sont considérablement développés au cours des dernières décennies en raison de leur excellente biocompatibilité et bioactivité. Les principaux phosphates de calcium utilisés comme biomatériaux sont décrits ainsi que leurs voies de synthèse et leurs propriétés physico-chimiques. Diverses techniques de mise en forme et quelques applications sont détaillées : biocéramiques, revêtements, ciments et composites. Les propriétés biologiques et la normalisation sont également abordées.
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Christèle COMBES : Professeur à l'Institut national polytechnique de Toulouse
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Christian REY : Professeur à l'Institut national polytechnique de Toulouse
INTRODUCTION
Les biomatériaux et biocéramiques à base de phosphates de calcium (CaP) se sont développés considérablement depuis plus de vingt ans en Europe comme à l'échelle mondiale en tant que matériaux de substitution osseuse et sont devenus les matériaux bioactifs les plus implantés, notamment en chirurgie orthopédique et en chirurgie dentaire. Ces composés ont la capacité de se lier chimiquement au tissu osseux et de promouvoir la formation d'une interface stable à leur contact ; ils vont notamment permettre l'initiation de la germination de phosphate de calcium à leur surface à partir des fluides biologiques. Outre les biocéramiques à base de phosphates de calcium, d'autres céramiques bioactives sont développées pour des applications en tant que substituts osseux : parmi elles, on peut citer celles à base d'oxydes ou hydroxydes, de carbonate de calcium, de sulfate de calcium ou encore les bioverres.
Les céramiques bioactives à base de CaP ont été initialement choisies et utilisées en raison de leur analogie de composition avec le minéral osseux et du besoin de disposer d'un matériau polyvalent, sans risque pour le patient, disponible en grande quantité et permettant d"éviter les greffes osseuses.
Ces matériaux se présentent sous forme de céramiques denses ou poreuses, de revêtements sur des prothèses métalliques, de ciments injectables, de composites minéral-organique et de matériaux supports pour l'ingénierie tissulaire. On les utilise plus marginalement pour des applications autres que la substitution osseuse : par exemple, en tant qu'implant oculaire pour permettre le mouvement de l'œil, en raison de la propriété de ces matériaux de se lier au tissu conjonctif de la cavité oculaire. Beaucoup d'autres applications ont été proposées et certaines sont en cours de développement : vecteurs de principe actif, guide pour la reconstruction nerveuse, support pour la transfection. Les applications de ces biomatériaux à base de CaP abordées dans cet article sont essentiellement celles relatives à la substitution osseuse et/ou dentaire.
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MOTS-CLÉS
révêtements Etat de l'art Biocéramiques chirurgie orthopédie
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Synthèse et propriétés physico-chimiques des phosphates de calcium
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1. De l'os aux céramiques bioactives
1.1 Os et substituts osseux
Les os des vertébrés peuvent être définis, du point de vue de la science des matériaux, comme des nanocomposites minéral-organiques présentant une architecture élaborée et contrôlée. La matrice organique est constituée de molécules de collagène de type I, organisées en triple hélice de 1,2 nm de diamètre et 300 nm de longueur résultant d'un auto-assemblage extracellulaire. Ces molécules forment des fibrilles présentant une organisation particulière avec un décalage laissant des vides entre molécules successives (figure 1 a ) . Ces fibrilles sont elles-mêmes regroupées en fibres présentant une orientation variable dans le tissu résultant très probablement d'un arrangement « cholestérique » , c'est-à-dire un nappage avec un faible décalage angulaire. Enfin, dans un os mature, chez de nombreux vertébrés, ces nappes de fibres forment un « ostéon » de forme grossièrement cylindrique (figure 1 b ). Ces ostéons correspondent à des zones de renouvellement osseux (remodelage) et sont liés les uns aux autres par une zone cémentaire relativement désordonnée.
le collagène est l'une des protéines les plus abondantes de l'organisme. On distingue plusieurs types de collagènes qui diffèrent par leur composition. Le collagène de type I est le plus répandu et se trouve, notamment, dans les os et la peau.
Dans la génèse du tissu osseux (chez l'embryon, en cas de fractures, ou au cours du remodelage ou en milieu de culture cellulaire) la matrice collagénique...
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De l'os aux céramiques bioactives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HODGE (A.J.) - Molecular models illustrating the possible distribution of holes in simple systematically staggered arrays of type I collagen molecules in native-type fibrils. - Connective Tissue Research, 21, p. 137-147 (1989).
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(2) - LANDIS (W.J.) - The strength of a calcified tissue depends in part on the molecular structure and organization of its constituent mineral crystals in their organic matrix. - Bone, 16, p. 533-544 (1995).
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(3) - GIRAUD-GUILLE (M.M.) - Liquid crystallinity in condensed type I collagen solutions. A clue to the packing of collagen in extracellular matrices. - Journal of Molecular Biology, 224, p. 861-873 (1992).
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(4) - GLIMCHER (M.J.) - Bone : nature of the calcium phosphate crystals and cellular, structural, and physical chemical mechanisms in their formation. - Review in Mineralogy and Geochemistry, 64, p. 223-282 (2006).
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(5) - BALA (Y.), FARLAY (D.), DELMAS (P.D.), MEUNIER (P.J.), BOIVIN (G.) - Time sequence of secondary mineralization and microhardness in cortical and cancellous bone from ewes. - Bone, 46, p. 1204-1212 (2010).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Matériaux pour implants chirurgicaux – Détermination de l'état de surface des revêtements pour applications biomédicales - AFNOR S94-071 - 08-93
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Standard Test Method for Time of Setting of Hydraulic-Cement Paste by Gillmore Needles - ASTM C266-03 - 2003
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Art dentaire – Ciments à base d'eau – Partie 1 : ciments acido-basiques liquides/en poudre - NF EN ISO 9917-1 - 04-08
-
Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 1 : céramique à base d'hydroxyapatite - NF ISO 13779-1 - 12-08
-
Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 2 : revêtements à base d'hydroxyapatite - NF ISO 13779-2 - 12-08
-
Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 3 : analyse chimique et caractérisation de la cristallinité et de la pureté de phase - NF ISO 13779-3 - 04-08
-
Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 4 : détermination de...
ANNEXES
Laboratoires de recherche français :
Laboratoire de Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (SPCTS), UMR 7315 CNRS – Université de Limoges, Centre Européen de la Céramique, LIMOGES.
Centre Ingénierie et Santé (CIS), École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, SAINT-ÉTIENNE.
Laboratoire d'Ingénierie Ostéo-Articulaire et Dentaire (LIOAD), UMR_S 791 Inserm-Université de Nantes, UFR Odontologie, NANTES.
Laboratoire des Matériaux Céramiques et Procédés Associés, Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC), Pôle Européen de Compétences en Matériaux Avancés (PECMA), MAUBEUGE.
CIRIMAT, UMR 5085 UPS-CNRS-INPT, ENSIACET, TOULOUSE.
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