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1
LES BIOCERAMIQUES
D. Bernache-Assollant
Professeur/ Directeur
Centre Ingénierie et Santé ENSM-SE
2
Plan
• La céramique : une grande famille
F
• Les biocéramiques : L’état de l’art
• Les perspectives
3
La Céramique
Une grande famille
4
Pas de fusion, pas d’usinageMême protocole de fabrication pour toutes les céramiques
Réfractaires : Alumine (Al2O3) 2020 °CFragiles
Les points communs
- Secteur traditionnel : sanitaire, tuiles, vaisselle- Secteur technique : nucléaire, électronique, thermo-mécaniquemédical
Domaines d’utilisation
5
La fabrication : 3 étapes
Extration
Synthèse chimique
ChauffageMise en forme
poudre
Al2O3
PréformeFrittage
T < Tfusion
Pièce
Mémoire
6
CLASSIFICATION DES BIOCERAMIQUES
RESORBABLES
Phosphate tricalciqueCa3(PO4)2
Oxydes : alumine (Al2O3) et zircone (ZrO2)Phosphates de calcium :hydroxyapatite et phosphate tricalciqueBioverres
Bio
réac
tivité
10 100 1000Durée d’implantation (jours)
INERTES (1970)
Alumine (Al2O3)Zircone (ZrO2)
ACTIVITES EN SURFACE (1985)
HydroxyapatiteCa10(PO4)6(OH)2Bioverres(SiO2, CaO, P2O5, Na2O)
7
PREMIERE GENERATION
Les céramiques bioinertes
8
HANCHE
Tête du fémur
Tige fémorale
Cupule
Ciment
Os illiac
9
Prothèses totales de hanche
1958 : remplacement total par Sir Charnley (1911-1982) :
bille en acier et cupule en polyéthylène
Introduction du polyéthylène à très haut poids moléculaire (UHMWPE)
Introduction des biocéramiques :
1974 : utilisation clinique du couple alumine (Al2O3)/ UHMWPE
1986 : utilisation clinique du couple zircone (ZrO2)/ UHMWPE
Plus de 1 500 000 de PTHs implantées par an : 3,9 milliards de dollars en 2004.
Historique
10
INCONVENIENTS DES METAUX
Milieu physiologique : pH = 7.2 - NaCl : 140 mM/L
•Corrosion : relargage de cations
•Usure : dégradation de la surface,
•augmentation du coefficient de frottement
•débris de polyéthylène
•descellement
11
PROTHÈSE DE HANCHE - débris de PE
Usure tête-cupule
Débris de PE
Osteolyse
Descellementde la prothèseaprès 10 ans in-vivo
Solution: éliminer la cupule PE couple M-M ou C-C
12
Al2O3
• Inertie
• Usure : faible
• Coefficient de frottement faible et stable
Alumine 1970
BIOCERAMIQUES INERTES - Alumine
13
BIOCERAMIQUES INERTES - Alumine
14
ALUMINE – Matériau purLa maitrise des microstructures
- 1970
• Fracture :• 2 têtes /3000
•(L. Sedel 80-98)
• 28 mm
•Microstructure (ISO 6474-1994, ISO 7206-2 1996)
•Taille des grains < 4,5 µm
•Densité > 3,94
•Ra < 0.02 µm
Flexion : 400 MPa
Os : 120 MPa
Ténacité : 4 MPa m1/2
Os : 5/10 MPa m1/2
15
ZIRCONE ZrO2 1985 –ZrO2 + 5 % masse Y2O3 TZP
quadratiqueMonoclinique(+ 4% vol.)
L. Gremillard2002
•Résistance : 900 -1500 MPa
•Ténacité : 8-10 MPa m1/2
•Rigidité : 200 GPa• Taille des grains < 0,6 µm
• Densité > 6
• Rugosité Ra < 0,03 µm
• Pas de stérilisation en autoclave
BIOCERAMIQUES INERTES - Zircone
La maitrise de la microstructure et des phases
16
Test de choc
Forces exercées
La force d’impact peut s’élever à plus de 12 fois le poids du corps !
Force d'impact vs vitesse d'exécutionDESCENTE D'ESCALIERS
0
1
2
3
4
5
6
7
2 3 4 5 6 7 8
Vitesse (km/h)
Forc
e d'
impa
ct (*
Poid
s du
cor
ps)
17
18
Résultats expérimentaux
Essai de fatigue zircone/zircone : pas de dégradation observée après 5 millions de cycles.
Essai de chocs : après 8000 chocs
Après 8000 chocs :
Thèse J Hausselle CIS- Ecole des MInes
x
y
- 9.75
- -6.27µm
015µm
43
21
0
1
2
3
4
y (mm)
x (mm)
- 0
19
Avantages et inconvénients
des céramiques inertes Al2O3 - ZrO2
Avantages- Très bonne tolérance
- Frottement faible
- Stabilité dans le temps
25 % du marché
Inconvénients :- Fragilité (chocs)
- Rigidité trop grande
- Liaison par un tissu fibreux
20
BIOCERAMIQUES INERTES - Les vitrocéramiques
Composition :
• SiO2 : 59% Al2O3 :15 % Na2O : 10 % K2O : 10 %
• CaO ZrO2 MgO B2O3 SnO2
Intérêt
inertie et esthétisme
Sofraced
21
Fusion 1350°C - 1700°C - cristallisation 1000 °C - broyage
Protocole de synthèse
22
•Coefficient de dilatation
• 12.2 - 16.2 10-6 °C-1 Cr/Co ; Ni/Cr
• 9,4 10-6 °C-1 Ti
Email 8,5
Métal 15
Opaque 8,9
Dentine opaque 8,5
Dentine 8,5
Bonder 9,2
Le couple céramo métallique
23
Les céramiques bioactives
En surface : Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2
Résorbables : Phosphate tricalcique Ca3(PO4)2
La maitrise des microstructures et de la chimie
DEUXIEME GENERATION (1980)
24
OSMinéral
apatite Ca10 (PO4)6 (OH)2
Ca/P = 1,66
•Résistance en flexion: 50-150 MPa
•Ténacité : 5/10 MPa m1/2
•Rigidité : 7-25 GPa
Os cortical : apatite carbonatéeCa8,3(PO4)4,7(HPO4,CO3)1,3(OH,CO3)0,3
Ca/P = 1.61
25
CERAMIQUES BIOACTIVES - Hydroxyapatite
Ca10(PO4)6(OH)2
M10 (XO4)6 Z2
Cl- Br- F-
CO32- O2-
Na+
Sr2+ Pb2+ Mg2+
Ba2+
La3+
U4+ Pu4+
Os corticalCa8,3(PO4)4,7(HPO4,CO3)1,3(OH,CO3)0,3
Apatites synthétiques
Ca10-x�x(PO4)6-x(HPO4)x(OH)2-x�x
Ca/P = (10 - x)/6 <1.66
HPO42- CO3
2-
SiO44-
26
HAP - Synthèse
( ) ( )3 4 10 4 6 22 210 6 ( ) 18+ → +Ca OH H PO Ca PO OH H O
27
Frittage des pièces en apatite
Ca10-x(PO4)6-x(HPO4)x(OH)2-x
Frittage 1200 °C
(1- x) Ca10(PO4)6(OH)2 + 3x Ca3(PO4)2 + x/2 H2O
(1 - x) HAP + 3x TCP
Ca/P = (10 - x)/6 <1.66 Décomposition thermique
TCPCa9(PO4)5(HPO4)(OH)X = 1
28
3 Ca10-y y (PO4)6-2y (CO3)2y (OH)2
(3-y) Ca10 (PO4)6 (OH)2 + 7y CaO + 6y CO2 + y H2O
700 °C
Apatites carbonatées
Frittage des pièces en apatite
Ca/P > 1.66
Décomposition thermique
29
HAP + CaOpH!!!
HAP + CaOpH!!!
TCP β + HAPSolubilité !!
TCP β + HAPSolubilitSolubilitéé !!!!
TCP TCP ββ
Ca3(PO4)2
HAPHAP
Ca10(PO4)6(OH)2
Ca/P
AprAprèèssFrittageFrittage
àà 12001200°°CC
Phosphate tricalciqueCa9(PO4)5(HPO4)(OH)
HydroxyapatiteCa10(PO4)6(OH)2
1.5 1.66Composé synthétique Ca/P
Décomposition thermique des phosphates
30
Résistance mécanique des substituts en phosphate
0
50
100
150
200
1,5 1,55 1,6 1,65
020406080100
Rés
ista
nce
àla
rup
ture
(MPa
)
Rapport Ca/P
% massique TCP
1100°C
HAPTCP
Résistance en flexion :
120 MPa
Ténacité : 1 MPa m1/2
31
Globe oculaire
- Osselets de l’oreille- Globe oculaire
32
50 100 200 300 (µm)
Bioverre SiO2 OsC3P
Ca
Si
BIOCERAMIQUES ACTIVES - Bioverres
Propriétés mécaniques: flexion 150 MPa,
K1c : 1MPa m1/2
Composition chimique45% SiO2 24.5 % CaO
24.5 % Na2O 6 % P2O5
33
LES CERAMIQUES BIOACTIVES - Résorbables
Le phosphate tricalcique βCa3(PO4)2 TCP
Les composites HAP 70 / TCP 30
Substituts osseuxde comblement
OS Déprotéiné
34
CERAMIQUES Biphasiques– Utilisations
Thèse F. Lelièvre 1994
1 mm
35
Substituts osseux- Cages intervétébrales- Coins d’ostéotomie
Résistance en flexion :120 MPa
Ténacité : 1 MPa m1/2 (très fragiles)
CERAMIQUES BIOACTIVES – Utilisations
36
PROPRIETES MECANIQUES
ENERGIES DE FRACTURE - Fragilité
1
Si3N4SiC
Al2O3verreglace
PropylénePolyéthylènePolystyrène
PolycarbonatesPMMAEpoxy
Polyester
fibres de verreboisciment renforcé
Cermets
Ener
gie
de fr
actu
re (k
J / m
) 102
103
10
10-2
10-3
10-1
Métalductile
Alliage TiAlliages
AlMétaux àclivage,basse T
Beryllium
37
0
(MPa)
Alu
min
e Alli
age
CrC
oM
oT
itane
Car
bone
épo
xy
Car
bone
-cer
amiq
ueC
arbo
ne-c
arbo
ne
Os
Ceramiques MétauxAlliages
Composites Os
Cim
ent P
MM
APo
lyet
hyle
ne
Plastiques
Zirc
one
HA
P
200
400
600
800
1000
PROPRIETES MECANIQUES
1000
200
400
600
800
38
MODULES DE YOUNG
0
100
200
300
400
(GPa)
Alu
min
e
Car
bone
épo
xy
Car
bone
cer
amiq
ueC
arbo
ne c
arbo
ne
Poly
este
rC
imen
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MA
Poly
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lene
Ceramiques
Alli
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CrC
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llage
stit
ane
Aci
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nox
Alliages
Os
cort
ical
Os
Os plastiquescomposites
Zirc
one
HA
P
39
AVENIR DES BIOCERAMIQUES
-Traitements de surface- dépôts DLC- dépôts basse température – biomimétisme (antibiotiques)- fonctionnalisation – matériaux hybrides (ostéoinduction)
- Les matériaux composites (organiques, nano..)
- Des nouveaux procédés de mise en forme- Les céramiques injectables : ciments phosphatés- Les bioverres poreux- Le prototypage
40 K. Anselme, Biomat, 2000, 21, 667
LES TRAITEMENTS DE SURFACE - Fonctionnalisation
41M. Porté Durieu et al
Biomat, 2004, 25, 4837
Fonctionnalisation : Greffage de séquences RGD sur TA6V
42
Application de la stéréolithographieà la production d’implants céramiques
Image scanner Modèlisation numérique 3Dmodèle 3D de la pièce
Digitalisation par tranches
Fabrication
CTTC Limoges
LES NOUVEAUX PROCEDES
43
MERCI
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