Conclusion

Il ressort de cette étude expérimentale que les FHA-50, Sr-Ap et ClA synthétisées présentent une meilleure stabilité thermique que celle de l’hydroxyapatite de référence. Les analyses par spectroscopie FTIR couplée à l’ATG/ATD ont démontré qu’il n’y a pas de départ de chlore dans le cas de la ClA, ni de fluor pour la FHA-50. Les caractérisations effectuées sur l’HA et la ClA après traitement thermique apportent des arguments supplémentaires confirmant l’hypothèse de la bonne stabilité thermique de la chlorapatite au moins jusqu’à 1400°C. Cette propriété fait de la poudre de ClA une candidate potentiellement plus intéressante et prometteuse que la poudre d’HA pour la projection plasma.

PARTIE C

Discussion

___________________________________________________________________________ Le comportement des revêtements d’hydroxyapatite en milieu biologique présente plusieurs complications liées à la décomposition de l’HA lors de la projection thermique. Par conséquent, la synthèse de l’hydroxyapatite constitue une étape déterminante dans le procédé d'élaboration de revêtements par projection plasma. D’autre part, l’utilisation de poudres dont la distribution de taille des grains est polydisperse conduit à des dépôts peu homogènes : les particules les plus fines ne pénètrent que dans les couches superficielles du plasma où elles ne sont que partiellement fondues alors que les plus grosses le traversent de part en part. En effet, la trajectoire des particules dans la flamme dépend étroitement de leur masse ; de ce fait, un bon compromis consistera à utiliser des particules de quelques dizaines de micromètres de diamètre et ayant une distribution granulométrique monomodale. Au cours de ce chapitre, nous avons cherché à modifier certaines caractéristiques physiques et chimiques liées aux poudres destinées à la projection plasma. Dans un premier temps, nous avons caractérisé l’hydroxyapatite commerciale. Dans un deuxième temps, nous avons élaboré des apatites phosphocalciques stœchiométriques (fluorapatite, fluorhydroxyapatite, chlorapatite et apatites calcostrontiques) par des réactions simples et transposables à grande échelle. Les solides obtenus sont monophasés et cristallographiquement purs. Cependant, ces poudres d’apatites présentent plusieurs aspects qui méritent d’être discutés ci-après.

Dans nos conditions expérimentales, la fluoruration gazeuse de l’hydroxyapatite conduit à une apatite stœchiométrique fluorurée sans produit secondaire. Seul le processus de diffusion domine le mécanisme de fluoruration de l’HA à haute température. Il s’agit de l’échange entre les ions hydroxyle localisés dans les tunnels du réseau apatitique et les ions fluorure selon la réaction suivante :

Ca10(PO4)6(OH)2 + 2 NH4F  Ca10(PO4)6F2 + 2 NH3 + 2 H2O (5) Cependant, les résultats obtenus révèlent la présence d’ions hydroxyle dans la structure. De ce fait, la réaction d’échange entre les ions hydroxyle et les ions fluorure est incomplète y compris dans les essais effectués avec des quantités de fluorure d’ammonium allant jusqu’à 66 fois la quantité stœchiométrique nécessaire. Par ailleurs, nous avons constaté une pollution

résultante de l’interaction entre le NH4F et le tube du four. En effet, des études antérieures par XPS ont révélé que la fluoruration gazeuse provoque une contamination de la poudre par les composantes du four notamment l’aluminium (Amrah-Bouali 1993). Cette contamination affecte les premières couches atomiques du solide et pourrait se révéler gênante pour les applications biologiques. Il a, en effet, été prouvé que l’aluminium incorporé à la structure apatitique compromettait sa biocompatibilité (Amrah-Bouali 1993). Compte tenu de ces problèmes de pollution et de non reproductibilité des résultats, nous nous sommes orientés vers la synthèse par co-précipitation en solution aqueuse de la fluorhydroxyapatite (FHA-50) (50% fluorée et 50% hydroxylée).

La FHA est l’apatite phosphocalcique la moins soluble et la plus résistante à l’attaque acide en raison de l’existence de liaisons hydrogène entre les ions F- _{et OH}- _{qui stabilisent la} structure (Ranz 1996; Penel et al. 1997).

La synthèse de la FHA-50 par précipitation en solution permet de produire des quantités de poudres suffisantes pour des applications industrielles (Ranz 1996). La caractérisation physico-chimique atteste de la pureté de cette poudre et de sa stœchiométrie néanmoins les propriétés physiques de celle-ci notamment sa non coulabilité présentent un handicap majeur à son exploitation industrielle en projection plasma. Une étude plus approfondie visant l’amélioration des propriétés de surface de la FHA-50 a été menée en collaboration avec le Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse. Les résultats de cette étude n’ont pas permis d’augmenter la coulabilité de la FHA-50 étudiée. Néanmoins, nous avons réussi à améliorer les charges électrostatiques et donc la coulabilité d’une FHA-50 de granulométrie supérieure à 80 µm.

La fluoruration totale ou partielle de l’hydroxyapatite est en général l’un des moyens susceptibles de réduire la biodégradabilité et l’écaillage des dépôts plasma avant et après implantation (Ranz et al. 1997; Gineste et al. 1999).D’autre part, comme nous l’avons indiqué auparavant, la synthèse par la voie sèche reste plus intéressante que la synthèse en solution car elle répond au besoin d’une méthode simple et facilement transposable en phase de production industrielle. Nous avons donc opté pour l’élaboration de la chlorapatite par voie sèche. Peu de travaux se sont intéressés à l’étude de la chlorapatite en tant que matériau biocompatible (Kannan et al. 2007). Une recherche bibliographique montre que le premier revêtement fabriqué à base de chlorapatite a été élaboré en 2008 par l’équipe de Teshima (Teshima et al. 2006). Les revêtements obtenus présentent des fissures et des craquelures qui menacent l’adhérence du dépôt et le procédé de synthèse utilisé peut s’avérer très couteux et non adapté pour un transfert industriel.

Dans ce travail, nous avons choisi d’utiliser comme produit de départ pour la synthèse de la FHA, de la ClA et des SrAp, l’hydroxyapatite T87-5080 obtenue par co-précipitation en

solution aqueuse. Cette poudre est déjà commercialisée par l’entreprise TEKNIMED et ayant prouvé son efficacité pour l’élaboration de substituts osseux sous forme de céramiques (Autefage et al. 2009).

L’analyse des propriétés physiques de la chlorapatite synthétisée démontre, en particulier, une meilleure coulabilité que la poudre initiale d’HA (7 fois plus rapide que l’HA). Sa stabilité thermique fait d’elle une candidate potentielle à la projection plasma.

Dans notre étude, nous avons synthétisé par la suite des chlorapatites dopées au strontium par réaction solide-solide à haute température à partir d’hydroxyapatite et de chlorure de strontium. Plusieurs auteurs ont démontré la capacité d’échange ionique du calcium avec le strontium des apatites nanocristallines en milieu aqueux (Cazalbou et al. 2005; Autefage et al. 2009). Cet échange se fait essentiellement par l’intermédiaire des ions présents dans la couche hydratée des nanocristaux des apatites mal cristallisées. La voie solide par contre, a montré qu’on peut synthétiser des apatites stoechiométriques et thermiquement stables qui peuvent être utilisées pour la projection plasma. Nous avons évalué la quantité de calcium échangée par le strontium par analyses chimiques. Les résultats ont révélé que la quantité échangée est totale dans les trois premiers essais (Sr-Ap 0.5 ; Sr-Ap 1 ; Sr-Ap 1.5) tandis que la Sr-Ap 2 et la Sr-Ap 10 ont des taux de strontium inférieurs à la quantité stoechiométrique introduite. Toutefois, plusieurs études ont reporté que le strontium présente une limite de substitution et le même comportement a été constaté pour des apatitiques mal cristallisées en solution (Cazalbou et al. 2005). Cette étude constitue une contribution à l’élaboration des chlorapatites calcostrontiques pour une utilisation en projection plasma.

Conclusion et perspectives

Nous avons élaboré des apatites chimiquement modifiées par différentes voies de synthèse. Les poudres ont été calcinées suivant la procédure décrite par la norme (“ISO 13779-3: 2008) et les rapports atomiques Ca/P sont très proches de ceux de l’hydroxyapatite stœchiométrique. Par ailleurs, nous avons mis en évidence l’absence de phases étrangères telles que la chaux et le phosphate tricalcique.

Par ailleurs, nous avons constaté que la synthèse par voie solide-gaz n’est pas adaptée à l’élaboration de fluorapatite pure en raison de la pollution de la poudre constatée. L’étude menée sur la FHA-50 confirme sa stabilité thermique. Cependant, sa coulabilité médiocre due à l’agglomération de fines particules ne nous a pas permis de l’utiliser pour la suite de ce travail.

Enfin, les chlorapatites calcostrontiques présentent une alternative prometteuse pour des utilisations en implantologie dentaire et/ou orthopédique.

Après avoir préparé et étudié différentes apatites chimiquement modifiées, nous avons pu constater que la synthèse, les caractéristiques physico-chimiques et thermodynamiques de la chlorapatite, suivant la réaction solide-gaz promet des dépôts sans phases secondaires ni oxyapatite. Nous avons donc choisi d’utiliser la chlorapatite ainsi que l’hydroxyapatite T87- 5080 pour l’élaboration de dépôts à l’aide du nouveau système de projection plasma à basse énergie présentée dans le chapitre suivant (Chapitre 3)

Chapitre III

Revêtements d’hydroxyapatite

et de chlorapatite obtenus par

Le développement des revêtements bioactifs pour prothèses métalliques requiert une bonne maîtrise des conditions d’élaboration de la poudre projetée et des paramètres de projection plasma ainsi qu’une bonne maniabilité de la torche. Cependant, peu d’études ont été engagées à la fois sur le rôle des propriétés physico-chimiques des poudres initiales destinées aux dépôts et sur les paramètres de projection. Des progrès ont été réalisés sur les poudres projetées. On peut envisager dans un premier temps, l'utilisation d’une poudre d’hydroxyapatite de granulométrie fine. Dans un deuxième temps, la projection d’une poudre plus résistante à la décomposition que l’HA. C’est dans cette optique que nous avons abordé ce travail en proposant de réaliser des dépôts à partir de deux types d’apatites stoechiométriques : l’hydroxyapatite (HA) de référence et la chlorapatite (ClA) synthétisée (cf. Chapitre 2).

Parallèlement, la mini-torche pour la projection plasma à basse énergie (MTBE) a été développée par la Société Inasmet-Tecnalia (San Sebastian, Espagne), partenaire du projet Nanomed2, afin d’améliorer la qualité des implants et d’étendre leurs champs d’applications (Barykin 2008). Cette association, matériaux et procédés innovants, devrait permettre de réaliser des dépôts durables, fins et adhérents sur des substrats de petites tailles. Ceux-ci peuvent avoir des géométries complexes ; c’est le cas notamment des implants dentaires.

Différents travaux ont été publiés impliquant des revêtements à base d’apatites fluorées, mais aucune étude évoquant des dépôts de chlorapatite n’a été signalée. De même, jusqu'à présent aucun travail n'a été cité dans la littérature impliquant la projection par mini-torche basse énergie pour le traitement des prothèses métalliques.

Par ailleurs, les recherches fondamentales sur les dépôts d’hydroxyapatite par projection plasma se sont orientées vers la compréhension des mécanismes qui interviennent durant le processus de formation des dépôts pour améliorer la qualité de l'interface implant-tissu et sa biointégration (Gross and Berndt 1998; Sun et al. 2001; Heimann 2006). Les méthodes de caractérisation utilisées sont souvent destructives et ne donnent que des informations sur la nature chimique de l’ensemble du dépôt et de leur décomposition éventuelle.

Nous chercherons dans ce travail de thèse à améliorer ou à développer des méthodes de suivi des caractéristiques des dépôts par micro-spectroscopie Raman. Cette technique permet d'obtenir des indications sur l'état de cristallisation et l'état des contraintes dans les différentes zones constituant le revêtement. La micro-spectroscopie Raman pourrait être établie comme méthode de contrôle de fabrication. Ainsi, elle pourrait être utilisée en production pour un contrôle qualité unitaire, direct et immédiat des pièces fabriquées.

Ce travail présente en parallèle une contribution à la mise au point de la MTBE et des paramètres de projection adaptés à une granulométrie de poudre fine ainsi que les résultats de la caractérisation physico-chimique et mécanique ainsi que le comportement in vitro des dépôts d’hydroxyapatite et de chlorapatite réalisés à l’aide de ce dispositif.