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RÉSUMÉ
Les verres bioactifs constituent un cas unique : ce sont les premiers matériaux synthétiques ayant démontré leur capacité à se lier de façon forte avec les tissus, osseux en particulier. Après une définition de la bioactivité et une présentation des mécanismes sous-jacents, l'article présente les différentes techniques d'élaboration et de mise en forme de ces matériaux autorisant un contrôle multi-échelle. Enfin, sont proposées les principales applications des bioverres.
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More than 40 years after their discovery, bioactive glasses are still unique as the first example of synthetic materials demonstrating their ability to bond to bone tissues. After giving the definition of bioactivity and the presentation of the underlying mechanisms, we will summarize the different elaboration techniques and how to control the shape and morphology of these materials on multiple length scale. Finally, the main applications of bioactive glasses will be presented.
Auteur(s)
-
Jonathan LAO : Maître de conférences Laboratoire de Physique Corpusculaire CNRS/IN2P3 UMR 6533, Université Blaise Pascal, Aubière, France
-
Jean-Marie NEDELEC : Professeur Institut Universitaire de France Institut de Chimie de Clermont-Ferrand, UMR CNRS 6296, École Nationale Supérieure de Chimie de Clermont-Ferrand, Aubière, France
INTRODUCTION
Le principe d'« inertie biologique » a longtemps présidé à la conception des matériaux destinés à être implantés en milieu vivant : ce principe préconise de réduire au maximum la réponse engendrée par l'introduction d'un corps étranger dans l'organisme. Pourtant, afin d'améliorer l'intégration de l'implant, il peut être souhaitable que celui-ci interagisse positivement avec les tissus hôtes. C'est le cas des matériaux bioactifs, capables d'accélérer la réparation tissulaire. Au premier rang, en termes de bioactivité, se situent les verres bioactifs.
Les verres bioactifs ou bioverres trouvent leur utilisation principale dans la réparation des tissus osseux. Dans ce domaine, la principale limitation des implants est la faible résistance mécanique de l'interface avec les tissus environnants. Les verres bioactifs répondent élégamment à ce problème grâce à l'établissement par réactions physico-chimiques d'une continuité avec les tissus, recréant ainsi une interface naturelle. Les verres bioactifs ont également la propriété d'être résorbables, disparaissant à mesure qu'ils sont substitués par le tissu néoformé. De plus, les produits ioniques issus de leur dissolution peuvent avoir un effet bénéfique sur le mécanisme de réparation par les cellules osseuses. Cet ensemble de caractéristiques démontre les capacités d'ostéo-intégration absolument remarquables des bioverres, parfois même supérieures aux autogreffes.
Nous évoquerons dans le détail les facteurs déterminant la bioactivité dans les verres, qui est liée autant à leurs structure et morphologie qu'à leur composition. Ces paramètres étant aisément ajustables par procédé de fusion et plus encore par le procédé sol-gel, il en résulte que la bioactivité dans les verres peut être contrôlée finement et adaptée à une grande variété d'applications. Malgré tout, et en dépit de quelques succès cliniques et commerciaux importants, les verres bioactifs ne restent que modérément utilisés par les praticiens, principalement pour des raisons de mises en forme qui seront abordées dans cet article.
Il n'en demeure pas moins vrai que le futur de la régénération osseuse est en partie lié à l'essor des verres bioactifs, que ce soit sous forme de supports pour la reconstruction de greffons tissulaires in vitro, ou comme constituants de nouveaux matériaux composites et hybrides mimant de mieux en mieux l'os.
Dans le premier paragraphe de cet article, nous définirons la notion de bioactivité (§ 1.1) et préciserons les mécanismes mis en jeu dans le cas des bioverres (§ 1.2). Le deuxième paragraphe présentera les différents procédés d'élaboration possibles pour ces matériaux (§ 2.1 et § 2.2) et les méthodes pour obtenir une structuration à l'échelle nanométrique (§ 2.3). Seront ensuite présentés les domaines de recherche les plus récents concernant la préparation de supports macroporeux (§ 2.4) et de matériaux composites et hybrides à base de bioverres (§ 2.5), puis l'élaboration de verres dopés et l'influence des produits de dissolution seront évoquées (§ 2.6). Enfin, dans le troisième paragraphe, les diverses applications des bioverres seront présentées.
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MOTS-CLÉS
état de l'art bioactivité régénération osseuse biominéralisation ingénierie tissulaire implant sol-gel
KEYWORDS
state of the art | bioactivity | bone regeneration | biomineralization | tissue engineering | implant | sol-gel
DOI (Digital Object Identifier)
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Applications au comblement de défauts osseux et à l'ingénierie tissulaire
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2. Élaboration et mise en forme des verres bioactifs
2.1 Verres obtenus par fusion à haute température
La première composition vitreuse bioactive découverte, ou verre 45S5 (tableau 1), contient quatre oxydes différents : SiO2 , P2O5 , Na2O et CaO. Dans la théorie classique des verres, les deux premiers oxydes sont des formateurs de réseau tandis que les deux derniers sont des modificateurs. Le rôle exact de l'oxyde de phosphore est en fait plus complexe et dual tel que démontré par des études RMN à l'état solide (cf. encadré 2). Par rapport à des compositions vitreuses traditionnelles (verres sodocalciques), les compositions bioactives présentent certains points distinctifs :
-
une teneur en SiO2 modérée (< 60 %) ;
-
des teneurs en Na2O et CaO élevées ;
-
un rapport CaO/P2O5 élevé.
Ces caractéristiques de composition sont à l'origine de la très grande réactivité de surface de ces bioverres. La concentration importante en modificateurs de réseau confère à ces verres une température de fusion relativement basse (~ 1 000 oC pour le 45S5), ainsi qu'une température de transition vitreuse également très basse (550 oC). La différence importante entre ces deux températures autorise normalement une large plage pour la mise en forme du matériau. Néanmoins, la tendance forte de ces verres à cristalliser limite cette plage. La phase cristalline classiquement rencontrée est un silicate de calcium et de sodium (Na2Ca2Si3O9) ...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WILLLIAMS (D.F.) (Éd.) - Définitions in biomaterials. - Elsevier, New York (1987).
-
(2) - KOKUBO (T.) - Bioactive glass ceramics : properties and applications. - Biomatérials, 12, p. 155-163 (1991).
-
(3) - HENCH (L.L.), WILSON (J.) - Introduction to bioceramics. - HENCH (L.L.) and WILSON (J.) editors, World Scientific (1993).
-
(4) - CHAPPARD (D.) - Modelage et remodelage au cours de l'ostéo-intégration. - Rev. Stomatol. Chir. Maxillofac. Chir. Oral, 114, p. 159-165 (2013).
-
(5) - JONES (J.R.), HENCH (L.L.) - Biomedical materials for new millenium : perspective on the future. - Materials Science and Technology, 17(8), p. 891-900 (2001).
-
(6) - KOKUBO (T.), TAKADAMA (H.) - How useful is SBF in predicting bioactivity ? - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
JALLO (E.), LAO (J.), NEDELEC (J.-M.), SAUTIER (J.-M.) et ISAAC (J.). – Verres bioactifs dopés en strontium. PCT/FR2008/000985.
HILL (R.-G.) et STEVENS (M.M.). – Bioactive Glass. WO2007144662 A1.
HAUT DE PAGE
ISO/FDIS 23317:2007(E) (2007), Implants for surgery – In vitro evaluation for apatite-forming ability of implant materials
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
Entreprises commercialisant ou distribuant des implants à base de bioverre
En France :
Noraker : http://www.noraker.com
Biomet 3i : http://biomet3i.fr
À l'étranger :
NovaBone Products LLC : http://www.novabone.com
BonAlive Biomaterials : http://www.bonalive.com
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