Thèse Revêtements Bioactifs Radioopaques par Projection Plasma pour une Technologie d'Implants H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Limoges
École doctorale : Sciences et Ingénierie
Laboratoire de recherche : Institut de Recherche sur les Céramiques
Direction de la thèse : AMANDINE MAGNAUDEIX ORCID 0000000228061177
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-08T23:59:59

La demande croissante d'interventions en chirurgie orthopédique et reconstructive est une conséquence des traumatismes osseux causés par l'augmentation des accidents de la route, des maladies dégénératives et des infections par des agents pathogènes. L'apport de matériaux exogènes sous la forme de greffes, notamment d'autogreffe trabéculaire, constitue une méthode référence pour la réhabilitation de défauts osseux en termes de propriétés biologiques. Cependant, compte-tenu de nombreuses limitations importantes,le recours aux biomatériaux synthétiques constitue une alternative de choix. Au fil des années, une centaine de matériaux permettant de remplacer et de réparer les tissus osseux porteurs ont été étudiés. Dans un premier temps, des substituts osseux inertes (alumine, zircone, alliages de métaux) étaient utilisés, avec de forts taux d'acceptation par l'organisme. Néanmoins, ces matériaux restent « bioinertes » (aucune interaction avec les tissus vivants) contrairement aux matériaux « bioactifs » comme les bioverres ou les céramiques phosphocalciques dont celles à base d'hydroxyapatite (HA), présentant généralement une excellente biocompatibilité et ostéoconducteurs (ils peuvent être colonisés par les cellules hôtes sans que leur comportement ne soit modulé négativement). Ainsi, une grande partie de la recherche repose aujourd'hui sur l'amélioration de la bioactivité des implants métalliques grâce au dépôt de céramique sur le métal, combinant ainsi d'excellentes propriétés mécaniques et une bioactivité remarquable. Les études se sont en outre élargies vers des substrats polymères, comme le Poly-Ether-Ether-Ketone (PEEK), un thermoplastique biocompatible stable chimiquement et résistant mécaniquement. Ces substrats, obtenus souvent par impression 3D, sont particulièrement intéressants dans des zones anatomiques à géométries complexes (ex : mandibule). Parmi les techniques de dépôt, la projection thermique, en particulier l'Atmospheric Plasma Spray (APS), s'est avérée comme l'un des procédés les plus utilisés pour revêtir des prothèses métalliques. La technique repose sur la fusion de particules dans un plasma à haute température et leur projection à la surface d'un substrat plus froid, formant des lamelles. Cependant, même si les films de verre bioactif ou d'hydroxyapatite projetés par plasma présentent une bioactivité remarquable, certaines caractéristiques indésirables liées à l'adhésion, à la porosité, aux propriétés mécaniques, ou à une éventuelle réduction de bioactivité par les dopants, restent présentes. De plus, en raison de la faible radiopacité de la céramique à l'exposition aux rayons X, l'imagerie médicale devient plus difficile sur les implants revêtus par rapport aux implants non revêtus, en raison du contraste insuffisant pour la détection. Dans une étude précédente, G. Clavijo Mejia et al. ont amélioré la radiopacité du revêtement céramique en ajoutant différentes quantités d'oxyde de bismuth (Bi2O3). Ce projet de thèse propose de combiner le dépôt de verre bioactif dopé au Bi2O3 ou d'HA, par APS, sur des substrats métalliques et polymères. Une Analyse de Cycle de Vie et une estimation de l'impact carbone sur le logiciel SimaPro© complètera l'étude afin de proposer une « solution médicale écoconçue ». Cette étude rentre dans un contexte de partenariat international entre l'Institut de Recherche sur la Céramique (IRCER), Funglass en Slovaquie et l'Institut de Technologie d'Iligan de Mindanao State University (MSU-IIT) et ses bureaux satellites (Manille, Naawan) aux Philippines.

Au cours des dernières décennies, l'espérance de vie humaine n'a cessé d'augmenter grâce aux progrès remarquables réalisés dans les domaines médical et chirurgical [1]. Comme l'a déclaré l'Organisation Mondiale de la Santé : « Chaque personne - dans chaque pays du monde - devrait avoir la possibilité de vivre longtemps et en bonne santé ». Néanmoins, la population souffre encore de troubles impliquant la dégénérescence des tissus composant le système musculosquelettique comme l'arthrose, la sténose du canal rachidien, la discopathie dégénérative ou l'ostéoporose. En outre, les traumatismes osseux causés par les accidents de la route augmentent, ce qui entraîne davantage des maladies ainsi que de multiples infections induites par des agents pathogènes. Les exigences pour le traitement de ces besoins de soins augmentent en matière d'orthopédie et de remplacement des tissus durs dysfonctionnels par des dispositifs artificiels à base de biomatériaux capables de rétablir les conditions physiologiques [2]. Plusieurs équipes de recherche ont travaillé sur l'adaptation des caractéristiques de différents biomatériaux pour élaborer des implants biomédicaux efficaces répondant à cet objectif. Pour chiffrer, le marché total des biomatériaux en 2020 s'élevait à 16 milliards d'euros et continue de croître rapidement. Les métaux, les polymères, les céramiques et les verres bioactifs (BG) sont autant de sources de matériaux pour la réparation et la régénération osseuses dans le cadre du diagnostic et du traitement des problèmes de santé musculosquelettiques [3]. Au cours des dernières décennies, les biomatériaux métalliques ont été désignés comme matériaux standards pour application sur les tissus durs, représentant environ 70 à 80 % de la production d'implants [1,4]. Dans ce cadre, certains matériaux métalliques comme l'acier inoxydable AISI 316L [5], les alliages de titane [6] et le Co-Cr [7] pourraient être utilisés comme implants orthopédiques en raison de leurs propriétés mécaniques remarquables pouvant supporter le poids corporel. Pour cela, les métaux ont et conserveront un rôle dominant, soutenu par leur disponibilité, leurs prix attractifs, la maturité de leurs techniques d'élaboration, leurs propriétés mécaniques et leurs procédés de mise en forme. Même si chacun de ces matériaux présente de nombreux avantages pour être utilisés comme implants, il est clair que les matériaux non combinés ne seront pas en mesure de fournir la synergie des propriétés favorables telles que la stabilité mécanique, la biocompatibilité, l'ostéoconductivité et l'ostéo-inductivité (stimulation de la réparation osseuse) en raison de leur nature différente par rapport à l'os et au tissu musculaire humains. De plus, les principales limitations des implants métalliques inertes proviennent de leurs propriétés mécaniques différentes de celles de l'os et de leur faible ostéo-intégration (formation d'un lien biomécanique avec les tissus hôtes). Cela se manifeste par la formation d'une capsule fibreuse riche en collagène autour de l'implant. Ainsi, le risque de déplacements interfaciaux et la libération d'ions métalliques toxiques dans le corps, augmente [8]. Pour cela, les BG constituent une classe bien établie de biomatériaux pour l'ingénierie des tissus osseux [3]. Contrairement aux implants osseux autologues/allogéniques aux implants métalliques et polymères biologiquement inertes, les BG ne sont pas limités par le nombre et la taille des greffons disponibles [9], évitent la transmission de maladies et les réactions immunitaires [10], ne déclenchent pas d'encapsulation fibreuse mais forment des liens solides avec le tissu osseux [3]. Bien que plusieurs travaux mentionnent des dépôts prometteurs d'hydroxyapatite (HA, Ca10(PO4)6(OH)2), de composition chimique proche de celle du minéral osseux, et présentant d'excellentes propriétés biologiques, notamment en termes de biocompatibilité, et d'ostéoconduction facilitant son ostéointégration [11-12], ce dernier reste fragile même à l'état revêtement, surtout à cause de sa porosité. En outre, il nécessite souvent des dopages pour améliorer certaines propriétés comme la résistance mécanique ou l'efficacité antibactérienne [13]. Pour compléter, les BG induisent la croissance d'apatite carbonatée sur la surface, similaire à la structure osseuse inorganique dans les fluides physiologiques [14], qui peut conduire à l'établissement d'une liaison BG-tissu osseux de nature mécanique, covalente, électrostatique et liaisons hydrogènes [15]. De même, des éléments tels que Si, P et Ca libérés par le BG sont bénéfiques pour l'ostéogenèse et l'angiogenèse [16]. Par conséquent, certaines des compositions de BG à base de silice et de borate, connues sous les noms de Bioglass®, Mirragen® et Dermafuse™, ont reçu l'approbation de la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis et sont disponibles dans le commerce. Cependant, la nature fragile du verre bioactif limite son utilisation sous forme de poudre et en fait un matériau particulièrement attractif comme précurseur de revêtement. Le traitement de surface offre une alternative prometteuse pour conférer une bioactivité aux biomatériaux inertes implantés couramment utilisés (c'est-à-dire à base d'alliage métalliques comme le Ti, Poly-Ether-Ether-Ketone PEEK), améliorant ainsi leur intégration et leurs interactions avec les tissus vivants. La modification de la surface du matériau bio-inerte permet également le développement de caractéristiques supplémentaires telles qu'une radiopacité améliorée, des propriétés antibactériennes et d'angiogenèse. En effet, l'un des principaux inconvénients des dispositifs implantables contenant de la céramique, tel que le 45S5®, est son contraste similaire à celui de l'émail, de la dentine et de l'os cortical [17-18] dans le cadre du diagnostic radiologique. Le contraste de ce type de biomatériau dans les études radiographiques peut être amélioré en augmentant son absorption des rayons X ou sa radiopacité grâce à l'ajout de radiopacifiants lors de sa fabrication [3,19]. L'ajout de Bi2O3 pour augmenter la radiopacité du verre bioactif est un choix intéressant en raison de la combinaison de ses caractéristiques de bioactivité, de biocompatibilité, d'antibactérien et de radiopacité. Ainsi, le précurseur poudre élaboré et synthétisé par l'institut de recherche FunGlass en Slovaquie à base de bioverre similaire au 45S5® commercial dopé au Bi2O3 sera immobilisé sur implant sous forme de revêtement par projection plasma. Le dépôt de verre bioactif (deux compositions possibles : base borate ou silice) sera comparé à une référence HA. Le défi majeur étant la réalisation sur substrat PEEK, plus fragile que l'alliage de Ti, d'où l'intérêt d'optimiser le chauffage du substrat.