Elaboration, caractérisation et étude des propriétés de revêtements bioactifs à la surface d'implants dentaires

THÈSE

En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l'Institut National Polytechnique de Toulouse

Présentée et soutenue par

Camille PIERRE

Le 30 octobre 2018

Elaboration, caractérisation et étude des propriétés

de revêtements bioactifs à la surface d'implants

dentaires

__________________

Ecole doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse

Spécialité : Sciences et Génie des Matériaux

Unité de recherche :

CIRIMAT - Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des

Matériaux

Thèse dirigée par

Christèle COMBES et Ghislaine BERTRAND

Jury

Monsieur Hicham BENHAYOUNE, Pr, Université de Reims Champagne-Ardenne Madame Chantal DAMIA, MCF, Université de Limoges

Madame Beatrice BISCANS, DR, CNRS

Madame Martine BONNAURE-MALLET,PU-PH, Université de Rennes 1 Monsieur Christophe EGLES, Pr, Université de Technologie de Compiègne Monsieur Daniel RODRIGUEZ RIUS, Pr, Universitat Politècnica de Catalunya Madame Ghislaine BERTRAND, Pr, Toulouse INP

Madame Christèle COMBES,Pr, Toulouse INP

Madame Christine ROQUES, PU-PH, Université Paul Sabatier Monsieur Christian REY, Pr Emerite, Toulouse INP

Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur Co-directeur de thèse Directeur de thèse Invité Invité

Remerciements

Ici commence la partie la moins scientifique et certainement la plus compliquée à rédiger de ce manuscrit : es e e ie e ts à l e se le des pe so es ui o t a o pag du a t es t ois a es d a e tu es, s ie tifiques et humaines, extraordinaires !

Je tie s tout d a o d à e e ie les pe so es a a t a ept de juge o t a ail et d a oi apporté leurs retours :

Chantal Damia, ait e de o f e es à l U i e sit de Li oges,

Et Hicham Benhayoune, professeu à l U i e sit de ‘ei s Cha pag e-Ardenne,

Merci à vous deu d a oi a ept de appo te e a us it et de a oi pe is so a lio atio grâce à vos remarques plus que pertinentes.

Christophe Egles, p ofesseu à l U i e sit de Te h ologie de Co pi g e, ous a ez fait

l ho eu de p side e ju de th se e e o e t i po ta t do t je ga de de t s o s sou e i s.

Beatrice Biscans, Directrice de recherche CNRS, une approche procédé et cristallisation dont

je suis loi d t e sp ialiste et ui a alors mené à des discussions intéressantes. Merci pour vos retours sur le projet.

Martine Bonnaure-Mallet, professeur des universités-p ati ie hospitalie à l U i e sit de

‘e es , ous a ez appo t ot e ega d p ati ie su es t a au et e i d a oir apporté cette dimension biologique.

Daniel Rodriguez Rius, p ofesseu à l U i e sitat Polit i a de Catalu a. Ap s u e

olla o atio de uel ues ois g â e au s jou d Elia da s ot e la o atoi e, ous a ez a ept de participer à mon jury de thèse et je vous en remercie.

Bie a a t e de ie o e t ui est la soute a e, il a eu a s… Je pe se ue je a i e ais ja ais à e p i e à uelle poi t es a es au sei du la o atoi e CI‘IMAT et de l uipe Pharmacotechnie Phosphates Biomatériaux ont été intenses, riches en rebondissement et tellement merveilleuses.

Commençons ici par mes deux directrices de thèse :

Christèle Combes, u e oule d e gie ue e soit au i eau du pas ou de la oi , tous deu si

si ples à ep e de loi et ui s est a telle e t p ati ue pou t att ape au ol de a t ot e bureau. Un emploi du temps surchargé mais tu trouves toujours le temps pour discuter science ou aut e. ‘e plie d e gie et uel ue peu a o au su e, ous a io s d jà telle e t e o u ! A ces poi ts o u s s ajoute ai te a t le o e i al ula le de o e tio ue ous pou o s fai e… De toi je tie s u e des eilleu es des iptio s de a pe so e : « sympathique mais parfois incisif ».

Ghislaine Bertrand, ton second degré peut être au premier abord un peu piquant mais nous

nous sommes plutôt bien trouvés sur ce point. Merci pour ces discussions scientifiques ou non scientifiques lors des repas de midi, ou des pauses café ou même tard le soir dans ton bureau avant de nous faire réprimander car le la o fe ait et ous a io s pas u l heu e. Ces o e ts o t ai e t t t s i po ta ts pou oi du a t es a es. “i Ch ist le a do sa « folie des corrections », j ai app is de toi u e faço de pe se , de p e d e du e ul et d o ga ise es idées. Je pe se ue je au ais pas pu t ou e eilleu es e ad a tes pou oi. Vous tes telle e t

o pl e tai es et toutes deu si ie eilla tes. Me i pou la o fia e ue ous a ez a o d du a t es a s, pou l auto o ie ue ous a ez laiss , pour avoir supporté toutes mes uestio s, pou a oi halle g et/ou suppo t ua d il le fallait ; j ai telle e t app is à os ôt s. Et ue ous le sa hiez, j au ais ai este !

Ce projet de thèse pluridisciplinaire inclut de nombreux partenaires qui ont chacun apporté leurs connaissan es afi d e i hir ces travaux.

Je souhaite ais da s u p e ie te ps e e ie le pa te ai e i dust iel pou a oi pe is de visiter leur site de fabrication, de réaliser des essais chez eux et surtout de a oi fou i les ha tillo s essai es pou es t a au de th se. Me i à Oli ie et Didie pou leu e pe tise d u poi t de ue p ati ie et i dust iel et d a oi ou i les u io s autou de e p ojet. U g a d e i à Sébastien et Marie pour les demandes de nombreux échantillons, ayant des géométries et des t aite e ts de su fa e pa fois e oti ues, ui o t tout is e œu e afi de les alise .

Ensuite viennent les microbiologistes du LGC et notamment Christine Roques et Iltaf Pavy. Merci d a oi p is le te ps d e pli ue telle e t de hoses à u o i iti o e oi… Me i Christine pour ces bons moments de rigolade passés en conférence ou en réunion ; j ai t a aill a e toi a e un grand plaisir et je ne comprendrais jamais comment tu fais pour faire autant de choses à la fois !

Iltaf, e i d a oi eu la patie e de e fo e au a ips, de les a oi alis es pou oi la plupa t

du temps et garde cette énergie et cette bonne humeur qui te vont si bien.

Je souhaiterais également remercier Agathe Juppeau, également du LGC mais côté ENSIACET, qui a tout organisé pour que je puisse maniper du mieux possible dans leur labo.

U o e t agi ue de ette th se a t le s jou de uel ues ois au Viet a au sei de l uipe de l ITT à Hanoï. Je tiens à e e ie toutes les pe so es ue j ai e o t là as pou leu aide au la o atoi e ais gale e t pou a oi fait d ou i leu ode de ie, leu ultu e et d a oi t si accueillant. Je remercie particulièrement Thanh, Nam, Thom et Hanh.

Je tie s à e e ie les tudia ts ue j ai eu la ha e d e ad e ue e soit pou des stages ou ie des p ojets au sei de l ole. E esp a t e pas t op ous a oi t au atis , e i à Anais

Domergue, Clementine Beutier, Elise Ode, Francis Bellier, Guillaume Godefroy, Heloise Willeman, Lauriane Tisserand, Lisa Feuillerat, Mai Vuong, Margot Bonmatin, Marc Debliqui, Mathilde Le Prat, Mathilde Champeau et Samuel Périn.

U g a d e i à la gio O ita ie ai si u au pa te ai e i dust iel d a oi fi a es travaux de thèse.

Au la o atoi e, j ai eu la ha e de t a aille a e les uipes du CI‘IMAT p se te su le site de l EN“IACET.

Je tie s tout d a o d à e o e u e e ie e t tout sp ial à os se tai es ado es ui nous chouchoutent et avec qui on igole eau oup, j ai o Domi, Caroline et Katia.

Les MEMO lors des études métallographiques des substrats. Je remercie tous les membres de ette uipe ui o t fo et aid a e u e e ie e t tout sp ial pou Alexandre Frelon. Un grand merci aux doctorants, les Memodocs, avec qui nous avons passés de bons moments à parler de science et aut e. Et oui j a i ais p es ue à ous o p e d e !

Les “U‘F ui o t a ueilli pou alise les a ips d le t od positio . Me i à Nadine

Pébère d a oi is à dispositio le at iel essai e. Me i au aut es e es de l uipe ui

o t fo su les a hi es et ie su au do to a ts pou a oi appo t aide et divertissement.

Les PPB, uipe d o igi e, e i à tous pour cette ambiance merveilleuse au labo et en deho s ! Out e es di e t i es de th se j ai t t s ie e tou pe da t es a es de th se.

Merci à Cédric Charvillat et Olivier Marsan pour leur aide et surtout leurs discussions.

Merci à Carole Thouron et Françoise Bosc pour leur aide quotidienne au sein du laboratoire et leur bonne humeur. Un remerciement tout spécial à Françoise pour les heures passées avec la

a hi e d a so ptio ato i ue plus ue ap i ieuse…

Merci à Christophe Drouet, hef d uipe, pou es ta ui e ies et es interventions dans le bureau afin de venir grignoter quelques douceurs et discuter un moment avec nous.

Je tiens à adresser un remerciement tout spécial à Christian Rey, grand spécialiste des phosphates de calcium. Merci pour ces discussions scientifiques ou non lors des réunions ou si ple e t autou d u epas. Me i d a oi p is le te ps de i itie à la hi ie des phosphates de calcium, tellement méconnue à mes débuts.

Un grand merci à David Grossin et Jérémy Soulié a e ui j ai pass de o euses heu es de TP formidables ! J ai eu o e t de ha e d e seig e au ôt s de pe so es passio es comme vous et avec tant de bonne humeur à revendre.

Je souhaite gale e t e e ie tous les e es de l uipe PPB ui tait pas à l EN“IACET et do a e ui je ai pas eu la ha e de eau oup t a aille .

‘ie au ait t pa eil sa s les do to a ts PPB et pa ti uli e e t eu du u eau -r1-1 ou alors eu ui passaie t pas al de leu te ps…

Da s les p e ie s te ps, j ai eu la ha e de ôto e Manue et Fred même si cela a été pour un temps assez court.

Un énorme merci à Maëla, seule do to a te p se te lo s de o a i e et ui a a ueilli au sein du bureau et avec qui nous avons passé de très bons moments.

Sylvain, e ad ouille e t e l EN“IACET et la faculté de pharmacie, est un personnage

at pi ue ui a do du fil à eto d e afi de pou oi ti e e se ait- e u u ot de sa ou he. Mais je pe se u ap s a s, ous a o s ussi à ous app i oise et à pa tage pas al de hose. Je resterai admiratif de ton amour pour les caractérisations fines et la chimie presque fondamental.

Loïc, ui a o e sa th se e e te ps ue oi ais ui tait alheu euse e t

ue t s a e e t à l EN“IACET où u u eau fi tif l atte dait. Me i à toi pour le soutien dans les o e ts fi au de la da tio plus pa ti uli e e t au ois d Aout et de la soute a e et pou les pauses café et blabla en tout genre pour débriefer de nos thèses et autre.

L uipe a t g a de e t epeupl e lo s de l a i e de Clémentine, Laetitia et Marine.

Clémentine, pe so age do s et d jà o u de l IN“A ais pas ai e t ôto . Ces deu

a es pass es e se le o t pe is de d ou i e toi u e fille fo ida le, plei e de o e hu eu a e ui j ai pass de e eilleu moments. Un grand merci pour les nombreux messages de soutie et d a ou e fi de th se. Co ti ue à t i esti o e tu le fais a tu sais où tu as !

Laetitia, « L A E da s l A T I T I A » alias Letiti. Malgré mes pics incessants et le fait que je sois

le pire collègue du monde, nous avons passé de très bons moments au labo et en dehors. Merci pour les ots d e ou age e t à toutes les deadli es et e i de a oi ou i de ho olat lo s ue

tait la ise da s a se e… E plei e olutio , aie o fiance et keep going !

Marinette, une demoiselle étonnante par ses multiples facettes. Malgré son âge avancé elle

reste pleine de motivation et de détermination que ce soit dans le travail ou pour aller en afterwork déguster une petite bière. Merci pour nos fous rires, pour nos moments musiques au bureau ou au piano. Restes simplement comme tu es avec ton franc parlé et ta bonne humeur.

A toutes les trois, je vous souhaite bon courage pour cette dernière ligne droite mais soyez assuré de mon soutien et ma toute confiance en vous !

Ambra, pas do to a te ais tout o e. Tu tais stagiai e et u ue t tais t op fo te, t op

marrante et trop de bonne humeur on a voulu te garder ! Le plus e a t hez toi, est ue tu parles beaucoup trop de langue et on en est tous jaloux. Bon ok hormis « la prochaine semaine » ais o est fi ale e t a i . Me i d t e toujou s oti e pou tout et tout le te ps ; on peut toujours compter sur toi. Bon courage pour ta thèse qui commence mais je ne me fais absolument aucun soucis !

Maximilien, le petit ou de l uipe. Et oui pou oi tu este as le de ie a i , le ptit

loulou, le ptit b***** mais de qui on a essayé de prendre soin quand même. Disons que je me suis retrouvé un peu en toi, même si nous sommes tout de même diff e ts. Me i d a oi suppo t es aille ies du a t ette a e. Je e pe se pas t op t a oi t au atis et j esp e t a oi p odigu quelques conseils pour avancer sereinement dans ta thèse jeune padawan.

Un énorme merci à cette team de choc pour les o eu o e ts pass s e se le autou d u e i e ou aut e, ph si ue e t ou pa sk pe. Beau oup t op d a ou e t e ous !

Je tiens également à remercier les permanents et doctorants côté pharma : Audrey, Christelle, Fabien, Sandrine, Sophie et Sophie, Guillaume, Maelys, Thibault et Clémence.

Pou fi i , j ai e ais e e ie les lus do to a ts ue j ai eu la ha e de e o t e à la o issio e he he de l INPT et a e ui j ai eu l o asio de passe des o e ts, sérieux ou non, notamment lors des réunion/apéros. Un remerciement tout spécial à Loïc pour les pauses Coca durant la rédaction et par la suite.

Ces 3 années aurait été très différentes sans le soutien de ma famille et de mes amis.

Merci à mes amis les plus vieux et notamment Débo qui me suppo te depuis ta t d a es. Je tie s à e e ie le e du l e, alg le fait ue l o se oit a e e t est toujou s pa eil. J ai o : Audrey, Benoit, Hugo, Jo’, Lu, Mika, Riton et Charlou ui a gale e t a ueilli lors des premiers mois à Toulouse.

G â e à eu j ai do la oiti de es pa es à la “NCF ais ela e alait toujou s la pei e. Me i au a is de l IN“A ue e soit les G ou la tea “GM ou les aut es. Je e ais pas tous les citer mais ils se reconnaitront. Merci pour vos moqueries et vos encouragements ! Merci pour tous les merveilleux moments passés ensemble.

Depuis o a i e à Toulouse, j ai eu la ha e de e oue g a de e t a e Charlou, ami de longue date et de faire connaissance avec sa femme Hélène. J ai eu la ha e de passer 6 mois en colocation avec cette dernière et cela nous a permis de nous découvrir, de partager des fous rires et de a ge uel ues kilos de ho olat. Me i à ous deu pou tout e ue ous appo tez, ous êtes juste géniaux et je sais que je pourrais toujours compter sur vous.

Viennent après cela la grande famille des Funtaines : colocation exceptionnelle ressemblant tout de e à u illage a a e. Ce tes la da tio a pas t de tout epos a e ous a il a fallu trouver la motivation de refuser les multiples invitations à sortir ou à se faire dorer sur la te asse ais ous a ez pe is de e ha ge les id es et d t e plus p odu tif pa la suite je ois… . Me i à tous, ou eau et a ie s, pou les o e ts pass s en week-end à la plage, à la montagne ou tout simplement aux fontaines à Toulouse ; on peut di e ue l o e s e uie ja ais ensemble. Un remerciement tout spécial aux BB loulous incluant Juju et Léa pour ces moments privilégiés et surtout à Juju pour avoir vécu avec moi en période de rédaction et de préparation de soutenance. Une pensée pour Thotho ui, alg la dista e, a toujou s e ou ag dans les moments moins évidents et a supporté mes plaintes.

Bie su je fi i ai pa e e ie l e se le de a fa ille ui a pas fo e t o p is e que je faisais ais ui a toujou s t p se te. Tout d a o d e i à es pa e ts, Nanou et Jojo, sans ui je e se ais pas là où j e suis aujou d hui. Me i à eu de a oi do la ha e de pouvoir tudie et de toujou s a oi laiss li e da s es hoi de vie. Ensuite mon frère Flo, l a tiste, ui trouve que la science peut quand même être cool et intéressante. Un énorme merci à mes grands pa e ts a e ui je p e ds toujou s auta t de plaisi à dis ute de tout et de ie et ui o t ja ais douté de moi. Une spéciale dédicace à Jojo, Nanou, Flo, Elise, Eliane et Michel d a oi t p se t le jour J de la soutenance ainsi que pour leur aide lors de la préparation.

Et je ou lie pas tous eu ui au ait pu se pe d e da s a oi e ais ui este da s o œu . Ce fut 3 a es d e p ie es t s i hes ta t s ie tifi ue e t u hu ai e e t !

Table des matières

Introduction générale ... 1

Chapitre I

Etat de l’a t ... 5

I-1.

L i pla t de tai e ... 7

I-1-1 Les prothèses implanto-po t es et l’i pla t de tai e... 7

I-1-2 Le ahie des ha ges d’u i pla t ... 10

I-1-3 Les biomatériaux utilisés ... 11

I-2.

L os et la e o st u tio osseuse ... 15

I-2-1 La st u tu e de l’os ... 16

I-2-2 Les cellules osseuses et la reconstruction osseuse ... 20

I-2-3 Le p i ipe d’ost oi t g atio ... 25

I-3.

La surface

: u l e t l de l ost oi t g atio ... 28

I-3-1 Propriété topographique : la rugosité ... 28

I-3-2 Propriété physico-chimique : la mouillabilité ... 32

I-3-3 Propriétés mécaniques : la résistance à la corrosion... 34

I-4.

Les traitements de surface ... 36

I-4-1 L’usi age ... 36

I-4-2 Le sablage ... 37

I-4-3 Le mordançage ... 38

I-4-4 Les surfaces sablées et mordancées ... 40

I-5.

Les revêtements de phosphate de calcium ... 41

I-5-1 Les phosphates de calcium ... 41

I-5-2 Les procédés de revêtement étudiés ... 46

I-6.

Ve s u e te e t a ti a t ie … ... 55

I-6-1 Le risque infectieux ... 55

I-6-2 Les stratégies mises en place... 57

I-6-3 L’a ge t, le uiv e et le zi o e age ts a ti a t ie s ... 59

Chapitre II

Préparation de la surface des substrats ... 63

II-1.

Description de la géométrie des échantillons ... 65

II-2.

Procédé de fabrication industrielle et caractérisations ... 66

II-3.

Etude des paramètres de sablage ... 79

II-4.

Mis au poi t d u p oto ole de o da çage ... 86

II-5.

Ca a t isatio des su fa es sa l es et o da

es d i t

t ... 94

II-6.

Vers un procédé industriel ... 100

Chapitre III

Ela o atio d’u ev te e t de phosphate de al iu pa

immersions successives ... 103

III-1.

Mise e pla e du p oto ole d la o atio du e te e t ... 105

III-2.

Analyses chimique et structurale ... 116

III-3.

Caractérisations topographiques de la surface ... 122

III-4.

Etude de l adh e e e te e t/su st at ... 124

III-5.

Discussion et résumé ... 125

Chapitre IV

Ela o atio d’u ev te e t de phosphate de al iu pa

électrodéposition ... 131

IV-1.

Elaboration du revêtement et étude paramétrique ... 133

IV-1-1 Temps de dépôt ... 136

IV-1-2 Potentiel appliqué ... 159

IV-1-3 Te p atu e de l’ le t ol te ... 161

IV-1-4 Concentration en ions calcium et phosphate et rapport Ca/P de la solution ... 163

IV-1-5 Agitatio de l’ le t ol te ... 166

IV-2.

Caractérisation topographique de la surface ... 168

IV-3.

Etude de l adh e e su st at/ e te e t ... 169

IV-4.

Vers un système industrialisable : le support multi-échantillons ... 171

Chapitre V

Dopage du revêtement de phosphate de calcium avec un agent

antibactérien sous forme ionique ... 175

V-1.

Dopage direct lors du procédé de revêtement par immersions successives ... 177

V-1-1 Protocole de dopage ... 177

V-1-2 Caractérisation des revêtements dopés ... 185

V-2.

Dopage par échange ionique post revêtement obtenu après électrodéposition ... 193

V-2-1 Protocole de dopage ... 194

V-2-2 Influence du dopage sur le revêtement ... 195

V-3.

Evaluation des propriétés biologiques des revêtements dopés ... 201

V-3-1 Préparation des échantillons pour les tests biologiques ... 201

V-3-2 P oto ole d’ valuatio de l’a tivit a ti- iofil d’u ev te e t su iofil s t pe p i-implantites ………202

V-3-3 Essais préliminaires ... 204

V-3-4 Evaluation des propriétés antibactériennes des revêtements sur le modèle de biofilm ... 210

Conclusion générale et perspectives ... 213

Références bibliographiques ... 217

Annexes ... 237

A.

Matériels et méthodes ... 239

A-1. Produits utilisés ... 239

A-2. P pa atio des ha tillo s et te h i ues de a a t isatio ises e œuv e ... 239

B.

Ce tifi at de fa i atio de l a ide pa le sous-traitant ... 248

C.

Mise au poi t du p oto ole de dosage du al iu , de l a ge t, du ui e et du zi

pa spe t o t ie d a so ptio ato i ue ... 249

C-1. P i ipe de l’a al se et p o l ati ues asso i es ... 249

1

Introduction générale

Ap s la pe te d u e ou plusieurs dents suite à un traumatisme ou à une pathologie osseuse ou dentaire, ou encore simplement au vieillissement, le patient souhaite recouvrir sa denture pour plusieurs raisons. En effet, celle-ci permet au patient de retrouver ses fonctions masticatoires, et do la apa it de se ou i . Out e ela, l lo utio ai si ue l esth tis e so t gale e t des fonctions associées à la denture. Le remplacement dentaire vise donc à restaurer le bien être psychologique, physique mais aussi social du patient.

Les prothèses dentaires implanto-portées représentent une bonne solution pour le e pla e e t d u e ou plusieu s de ts. E effet, les aut es solutio s p opos es o e les p oth ses a o i les ou les po ts o t l i o ie t ajeu de e pas t a s ettre les forces masticatoires au tissu osseux de la mâchoire menant à sa résorption à long terme. De plus, les p oth ses a o i les e so t i o fo ta les i p ati ues pou le patie t et la pose d u po t nécessite la détérioration des deux dents saines adjacentes. Les prothèses implanto-portées se o pose t de t ois l e ts p i ipau : l i pla t de tai e o stitua t u e a i e a tifi ielle, l l e t p oth ti ue pe etta t de e pla e la ou les de ts a ua tes et le pilie faisa t le lie entre ces deux derniers constituants. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous nous intéresserons u i ue e t à l i pla t de tai e. E effet, la pose de e de ie au sei de la â hoi e est u a te chirurgical associé à deux principales problématiques. La première concerne la période de cicatrisation osseuse, variant de 3 à 6 mois, nécessaire avant la mise en place de la couronne définitive permettant ainsi de rétablir pleinement la fonction de la dent. La deuxième est due au is ue d i fe tio s post-opératoires pouvant o dui e à des o pli atio s, oi e à l he de l i pla tatio da s e tai s as, e e ge d a t alo s u ou el a te hi u gi al pou e pla e l i pla t et des f ais suppl e tai es pou le s st e de sa t et le patie t ai si ue de l a i t et des douleurs supplémentaires pour ce dernier.

Pa o s ue t, des tudes o t t e es afi d a lio e l'ost oi t g atio des i pla ts dentaires. Cette caractéristique est directement liée aux propriétés de la surface de l'implant qui est en contact direct avec le tissu osseux. Il a été démontré que la rugosité et la mouillabilité de la su fa e de l i pla t so t deu a a t isti ues i po ta tes pou l ost oi t g atio . Des t aite e ts de su fa e tels ue le sa lage, l a odisatio , o t alo s t d elopp s et sont proposés i dust ielle e t depuis les a es afi d o te i u e ugosit o e e a ith ti ue o p ise entre 1 et 2 µ , o sid e o e opti ale, ai si u u e ouilla ilit de su fa e le e. U e aut e

solution envisagée pour améliorer l'ostéoi t g atio des i pla ts e tita e est la ise e pla e d u revêtement de phosphate de calcium. En effet, une fois implanté, le revêtement peut se dissoudre, entraînant une augmentation locale de la sursaturation des liquides biologiques par rapport aux phosphates de calcium, pouvant ainsi favoriser la néoformation osseuse et donc la cicatrisation osseuse et plus la ge e t l ost oi teg atio de l i pla t. Pou p odui e e e te e t, plusieu s procédés ont déjà été proposés et notamment la projection plasma, le dépôt électrophorétique, le d pôt pa lase puls , le p o d d i e sio s et . Pa i eu - i, les p o d s d i e sio s et d le t od positio p se te t l a a tage de pou oi e ou i des fo es o ple es o e les implants dentaires. Ils sont égale e t e satiles et si ples d utilisatio . E effet, les asses te p atu es et les solutio s a ueuses ises e œu e da s es p o d s pe ette t d o te i des phases de phosphates de al iu a ti es. Il est gale e t possi le d asso ie des ol ules the ose si les au e te e t ou d i t g e u io a ti a t ie pou pe ett e de li ite les infections post-opératoires.

L o je tif p i ipal de es t a au de th se est do de s i t esse à la p pa atio de surface des implants dentaires en titane avant de développer un revêtement bioactif et antibactérien à la surface de ces mêmes implants. Pour cela, un protocole de traitement de surface favorisant la mise en place des revêtements a été développé dans un premier temps. Puis, deux procédés de revêtement à basse température ont été étudiés, à savoir la technique par immersions successives et l le t od positio , afi de d pose à la su fa e de l i pla t e tita e u e ou he i e de phosphate de calcium, de structure et de composition analogue au minéral osseux en vue de fa o ise l ost oi t g atio . E suite, les e te e ts o t t dop s a e des io s a ge t, ui e ou zi afi de leu o f e des p op i t s a ti a t ie es. L e se le du p ojet a t o duit da s le ut d u t a sfe t i dust iel et do à pa ti d u ahie des ha ges. Les e p ie es o t alo s t menées et développées dans cette optique considérant les contraintes industrielles que peuvent être notamment le coût et le temps de production.

Ces t a au de th se s i s i e t dans le cadre du projet BIOACTISURF n°14054394, soutenu par la Région Midi-Pyrénées devenue depuis la région Occitanie, et regroupant plusieurs partenaires :

1. Le Laboratoire CIRIMAT ui a e ha ge l la o atio , la a a t isatio et le dopage des revêteme ts de phosphate de al iu ai si ue l tude de leu s p op i t s ph si o-chimiques.

3

2. Le La o atoi e de G ie Chi i ue LGC ui alise l aluatio des p op i t s biologiques in vitro des matériaux élaborés et en particulier de leurs propriétés antibactériennes.

3. Un partenaire industriel qui réalise les substrats en titane et définit les spécifications du produit.

Le p e ie hapit e de e oi e d fi it le ôle de l i pla t de tai e et le ahie des charges qui lui est attribué avant de présenter des généralités sur le tissu osseux ainsi que ses mécanismes de remodelage et de cicatrisation. Les propriétés de surface des implants influençant l ost oi t g atio de e de ie so t e suite p is es et les t aite e ts de su fa e d elopp s so t présentés. E fi , les p o d s de e te e ts is e œu e da s ette tude so t d its ai si ue des g alit s su les phosphates de al iu a a t de t aite de l ajout d age ts a ti a t ie s au i pla ts. Ce p e ie hapit e pe et d ta li u tat de l a t su l e se le des th ati ues t ait es au ou s de es t a au de th se et de p ise le o te te de l tude. Les o je tifs du t a ail ainsi que les stratégies associées sont finalement explicités.

Da s u deu i e hapit e, l tat de su fa e a tuelle e t proposé par le partenaire industriel est décrit ainsi que les modifications apportées par chaque étape du traitement de surface. Pa la suite, des pistes d a lio atio de ette su fa e isa t à ett e e pla e u e te e t pa voie aqueuse sont décrites.

Les deu p o d s tudi s da s e t a ail de th se so t elui d i e sio s su essi es et d le t od positio . Les pa a t es des p o d s o t t opti is s da s le ut d o te i u revêtement de phosphate de calcium répondant au cahier des charges préalablement défini et les propriétés physico-chimiques de celui- i o t t i estigu es. Ces tudes fo t l o jet des t oisi e et quatrième chapitres.

E fi , le dopage de es e te e ts a t alis pa les io s a ge t, ui e ou zi . L effet de l ajout de ces éléments au revêtement a été étudié et est présenté dans le cinquième et dernier hapit e. Les sultats p li i ai es des tudes i o iologi ues e es afi d alue les propriétés antibactériennes des revêtements y sont également décrits.

Les te h i ues de a a t isatio s ises e œu e tout au lo g de e t a ail so t d taill es da s l a e e A.

Chapitre I

Etat de l’art

7

Ce premie hapit e d it tout d a o d les prothèses implanto-portées et plus pa ti uli e e t l implant dentaire qui est l o jet de ce travail de thèse. Nous nous intéresserons ensuite au tissu osseux de la mâchoire et à l i t g atio de l implant au sein de celui-ci avant d a o de les a a t isti ues physiques et chimiques requises pour la favoriser. Par la suite les différentes stratégies actuellement développées permettant d améliorer l ost oi t g atio et de limiter les infections post-opératoires seront présentées. Pour finir nous positionnerons ces travaux de thèse par rapport à cet tat de l a t.

I-1.

L i pla t de tai e

Différentes problématiques telles que le vieillissement de la population, les maladies osseuses ou encore des traumastismes conduisent à u esoi de e pla e e t d u e ou plusieu s dents. Les prothèses implanto-portées constituent une solution intéressante dans ces derniers cas. Elles permettent en effet la restauration des fonctions de la denture et contribuent ainsi à maintenir la densité osseuse et la forme de la mâchoire. Elles permettent aussi de redonner la capacité de a ge et de pa le au patie t ai si ue l esth tis e asso i . Toutes es fo tio s a lio e t do le bien- t e ps hologi ue, so ial et ph si ue du patie t. L i pla t dentaire, étudié dans ce travail de th se, se a d a o d d it pour ensuite mettre en évidence le cahier des charges fonctionnel de ce type de dispositif médical. Les matériaux utilisés actuellement pour sa fabrication sont enfin présentés avec leurs caractéristiques propres et leurs propriétés.

I-1-1

Les prothèses implanto-portées et l’implant dentaire

Les prothèses implanto-portées permettent de remplacer une ou plusieurs dents. Grâce à leur stabilité, elles apportent un certain confort au patient par rapport à une prothèse amovible et évite la mutilation des dents saines e i o a tes ui est essai e pou la pose d u po t permettant de relier les deux dents piliers avec une ou plusieurs dents artificielles. De plus, cette restauration dentaire a un aspect naturel et permet surtout de transmettre les forces masticatroires au os des â hoi es afi de li ite la pe te osseuse e solli ita t a i ue e t l os [1].

8

Elles sont composées de 3 éléments principaux : l implant, le pilier et la couronne (Figure I-1).

Figure I-1 : Schéma des éléments d'une prothèse implanto-portée [2]

L i pla t est un élément cylindro-conique vissé dans le tissu osseux qui est assimilable à une racine artificielle. “o o ps est filet afi d t e o e a le e t fi da s l os. Il en existe de lo gueu , dia t e, tat de su fa e et fo e diff e ts. L i pla t est hoisi pa le p ati ie e fonction du cas clinique.

Le pilier, quant à lui, fait le lie e t e l i pla t et la ou o e. Il est associé à l i pla t pa le biais de connexions diverses, les connexions externe hexagonale, interne hexagonale ou cône morse étant principalement utilisées [2], [3]. Cet élément est un facteur déterminant quant à la durée de vie du traitement prothétique [4].

La prothèse au sens large, qui peut être une couronne ou un pont par exemple, est fixée sur le pilier afin de remplacer la ou les dents manquantes. En effet, un implant peut accueillir une couronne dans le cas du e pla e e t d u e de t Figure I-2a) ou un pont peut être fixé sur plusieurs implants dans le cas du remplacement de plusieurs dents (Figure I-2b). Les implants peuvent aussi permettre de fixer les prothèses dentaires complètes qui sont instables en bouche chez certains patients grâce à divers systèmes de fixation (Figure I-2c) [5]. Ces prothèses peuvent être cimentées, transvissées ou encore clipsées dans le cas de prothèses amovibles [2].

9

Le travail de thèse a porté uniquement su l i plant dentaire (Figure I-2a). Celui-ci est composé de trois parties (de haut en bas) : le ol, le o ps et l ape Figure I-3).

Figure I-3 : Structure d’u i pla t de tai e

Source : https://www.lefildentaire.com/articles/clinique/implantologie/limplant-dentaire-design-surface-et-connectique/

Le col est la pa tie de l i pla t ui assu e la o e io a e le pilie et est do en contact

avec les tissus durs (os) et les tissus mous (gencives). Celui-ci peut-être lisse, comporter des microspires pour diminuer la perte osseuse péri-implantaire [6] ou être recou e t d u e ague en zi o e afi d ite l adh sio a t ie e ou dans un but esthétique [7]. Le col peut être droit ou évasé.

Le corps est la partie centrale de l i pla t. Les formes peuvent varier : conique, cylindrique,

cylindro-conique même si ette de i e est la plus pa due. Les spi es pe etta t l a o he mécanique de l i pla t da s l os so t usi es le lo g du o ps. De o euses tudes o t t effectuées sur le design des spires (profondeur entre le haut et le bas de la spire, espacement des spi es, a gulatio , dou le spi es…) afi d a lio e la sta ilit a i ue p i ai e de l i pla t et de ieu pa ti les fo es o lusales da s l os. Cha ue fabricant possède généralement son propre design.

L’ape est la poi te de l i pla t ui, lui aussi, pe et l a age p i ai e tout e lui do a t

sa propriété anti-rotationnel.

Figure I-2 : a) Implant vissé dans la mâchoire; b) Pont fixé sur deux implants; c) Prothèse complète supportée par des implants

Sources : http://www.ciedmarseille.com/implant-dentaire-1.html http://www.vijaydentalhospital.com/isbridge.html

http://www.implant-en-hongrie.fr/remplacer-toutes-les-dents.html

10

I-1-2

Le cahier des charges d’u implant

L implant dentaire, visant à substituer une racine dentaire, doit avoir des propriétés mécaniques et biologiques adaptées.

P e i e e t, l i pla t est exposé à des sollicitations mécaniques dues aux forces occlusales asti atio , d glutitio ,… . Les propriétés mécaniques intrinsèques du matériau le constituant, telles que le odule d You g, la limite élastique, la résistance à la rupture, la résistance à la compression et la résistance en fatigue [8], doivent être adaptées à ces sollicitations mécaniques. La résistance à la corrosion est, elle aussi, prise en compte. Pour ce qui est des forces appliquées à l i pla t de tai e, elles a ie t o e t e fo tio du patie t. Brunski cite pour un adulte des forces axiales variant de 390 à 880 N pour les molaires, de 453 N pour les prémolaires et de 222 N pour les incisives [8]. Une force de cisaillement d app o i ati e e t N est aussi observée. Gibbs

et al. quant à eux rapportent des forces maximales de 26,7 Kg (environ 262 N) lo s de l o lusio

correspondant à 36,2 % de la force maximum qui peut être atteinte chez le patient [9]. L i pla t doit également présenter une bonne tenue en fatigue car Brunski rapporte une fréquence de mastication comprise entre 60 et 80 mâchements par minute avec un temps de contact entre les dents de 0,2 à 0,3 seconde et un temps de contact total variant de 9 à 17,5 minutes en une journée [8].

Deu i e e t, l i pla t doit pe ett e la t a s issio des fo es o lusales à l os a si e de ie est plus solli it a i ue e t il se so e. C est la loi de Wolff : l'os se forme et se résorbe en fonction des contraintes mécaniques qu'il subit. Les expériences à long terme indiquent effe ti e e t u u t a sfe t de fo es i suffisa t de l i pla t à l os adja e t peut e ge d e u e résorption de ce dernier et éventuellement u des elle e t de l i pla t [10]. Ce phénomène, appelé « stress shielding », a t eli à la diff e e de igidit e t e l os atu el et le at iau o stitua t l i pla t. Il est donc important de choisir un matériau ayant un module élastique le plus p o he de elui de l os [11]. A ote ue le desig de l i pla t est lui aussi i po ta t da s la transmission des forces occlusales. Les implants dentaires les plus couramment utilisés possèdent une forme de vis car les spires offrent une grande surface de contact os/implant et favorisent donc l a age ai si u u e eilleu e répartition des forces transmises à l os [12].

Troisièmement, l i pla t étant inséré dans la mâchoire, un matériau biocompatible doit être choisi. La biocompatibilité est définie comme « la capacité d'un matériau à accomplir une fonction spécifique _{a e u e a tio app op i e de l hôte» [13] ; on parle alors de biomatériau. Un} io at iau peut t e d fi i o e u at iau a tifi iel ou atu el isa t à la e o st u tio d u

11

organe ou au remplacement de tissus. La Conférence de Chester de la Société Européenne des Biomatériaux, dite conférence du consensus, en 1986, a retenu la définition suivante d u biomatériau : « matériau non vivant utilisé dans un dispositif médical destiné à interagir avec les systèmes biologiques » [14]. Ces matériaux sont en contact direct avec le corps humain et doivent do a oi des p op i t s adapt es. E d aut es te es, u io at iau e doit pas t e to i ue pour son hôte, il ne doit pas provoquer de réaction inflammatoire chronique et doit être hi i ue e t sta le, est-à-dire résistant à la corrosion dans le corps [15]. Les biomatériaux les plus utilisés pour la fabrication d i pla ts de tai es se o t détaillés dans la partie suivante.

Fi ale e t, l i pla t doit être stérilisé avant son utilisation. Pour cela, de nombreuses techniques existent : l auto la e, la st ilisation au rayonnement ga a, l utilisation d oxyde d thylène, d ozo e, et [16]. Toutes présentent des avantages et inconvénients mais le choix du matériau et de la technique de stérilisation doit être fait conjointement afin que cette dernière ne détériore pas le matériau ou ses propriétés.

U de ie poi t ui peut t e a o d est l aspe t esth ti ue a l i pla t et/ou l paule e t du pilie sont parfois visibles à ause d u e t a tatio de la ge i e oi e d une perte osseuse souvent remarquée après implantation. Plusieurs hypothèses ont été émises : la présence d u e i o-fuite e t e le pilie et l i pla t entraînant le libération de toxines bactériennes et provoquant une réaction péri-implantaire locale ; un mauvais design/revêtement de l i pla t ; des contraintes mécaniques trop importantes au niveau du col implantaire ; une absence d'attache tissulaire satisfaisante capable de protéger l'os crestal ; un état parodontal instable [12].

I-1-3

Les biomatériaux utilisés

Afin de répondre aux conditions mécaniques et biologiques citées ci-dessus, différents matériaux peuvent être mis en œu e pou la fa i atio des i pla ts de tai es. Les plus utilisés actuellement sont les métaux et leurs alliages et notamment le titane et son alliage le Ti6Al4V. L utilisatio des a i ues et des polymères est moins répandue car ces derniers présentent des inconvénients qui seront décrits par la suite. Cependant, des solutions ont été développées afin d a lio e les p op i t s de es t pes de at iau et do de permettre leur utilisation pour la o eptio d implants dentaires. De nouveaux matériaux hybrides ou composites sont également en cours d tude.

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Les métaux sont les matériaux les plus couramment is e œu e car ils présentent des propriétés mécaniques adaptées. On peut notamment citer le titane pur et ses alliages, les alliages à base de cobalt ainsi que les aciers inoxydables car ils sont biocompatibles, ils peuvent supporter des charges importantes, résister en fatigue, subir une déformation plastique avant rupture et présentent une résistance à la corrosion [17]. La limite élastique ainsi que la résistance en fatigue de ces matériaux dépendent du t pe d alliage et de ses traitelments ultérieurs [18]. Les caractéristiques mécaniques de ces différents matériaux sont résumées dans le Tableau I-1.

Le titane et ses alliages sont largement employés a leu odule d You g est le plus as de tous les métaux et alliages précédemment cités ; cela permet donc de limiter ou prévenir le « stress-shielding ». Le titane présente une bonne résistance à la corrosio g â e à la fo atio d u e ou he p ote t i e d o de qui se présente sous deux phases cristallines (anatase et rutile). Il subit, vers 885 °C, u e t a sfo atio d u e st u tu e o pa te he ago ale appel e phase alpha à u e structure cubique centrée d o e ta. Les tita es peu e t do t e lass s e α, p o he- α, proche-β et β. Pou les appli atio s di ales, l alliage de tita e Ti Al V α+β-Ti) est très utilisé pour ses propriétés mécaniques. Cependant un effet toxique dû au relargage des ions aluminium et vanadium fait polémique mais les avis divergent [19], [20] . Le tita e o e iale e t pu α –Ti) est couramment utilisé pour les implants dentaires. Plusieurs grades sont disponibles en fonction de leur concentration en oxygène et en fer. Les grades les plus purs ont une dureté, une résistance à la

uptu e ai si u u e te p atu e de t a sfo atio i f ieu e au g ades les oi s pu s [18]. Les alliages de chrome-cobalt possèdent une meilleure résistance à la corrosio ue l a ie inoxydable. Cependant ils sont difficiles à usiner. Les propriétés mécaniques diffèrent entre les alliages moulés ou forgés. Cette dernière méthode est préférée car le moulage mène à la formation de gros grains dendritiques qui diminuent la li ite lasti ue de l alliage. De plus, des po es et des inclusions peuvent être obtenus par cette technique [21].

Les aciers inoxydables sont des aciers contenant au minimum 10,5 % de chrome afin de leur conférer une bonne résistance à la corrosion. Ils peuvent être classés en fonction de leur microstructure à savoir martensitique, ferritique, austenitique ou duplex (composé de phases fe iti ue et aust iti ue . L a ie i o da le aust iti ue est le plus utilis pou les at iau implantables et plus particulièrement le 316L composé de 16 - 18 % de chrome, de 10 - 13 % de nickel et de 2 - 3 % de molybdène. Le L signifie « low carbon » (< 0,03 %) ce qui en fait un acier résistant à la corrosion par piqûres [21]. Des éléments constitutant ce matériau peuvent également être relargué dans les fluides biologiques. De plus, il peut également entrainer des allergies chez certains patients à cause de la présence de nickel [22].

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Tableau I-1 : Propriétés mécaniques des principaux métaux utilisés pour la fabrication d'implants dentaires [données CES Edupack 2017] Matériau Module d’You g (GPa) Limite élastique (MPa) Contrainte à la rupture (MPa) Résistance en compression (MPa) Résistance en fatigue à 107 cycles (MPa) Ténacité MPa.√ Alliage chrome-cobalt 220 – 230 440 – 460 640 – 660 440 – 460 300 – 320 70 – 80 Ti-6Al-4V (recuit) 110 _–119 786 _{– 910} 862 _{– 1200} 848 _{– 1080} 529 _{– 566} 84 _{– 107} Titane pur (grade 2) 100 – 105 276 – 360 345 – 490 170 – 210 245 – 296 55 – 60 Titane pur (grade 4) 105 – 120 483 – 570 552 – 690 310 – 400 363 – 408 45 – 50 Acier inoxydable austénitique (316L) 195 – 205 190 – 220 490 – 520 190 – 220 256 – 307 90 – 100 Os cortical 10 _{– 26} 45 _{– 144} 49 _{– 167} 130 _{– 250} 23 _{– 80} 3,3 _{– 6,1}

Les céramiques sont plus résistantes à la dégradation que les métaux dans beaucoup d e i o e e ts. De plus, un avantage non négligeable de ces matériaux est l aspe t esth ti ue si la gencive se rétracte légèrement après implantation. Cependant, leur comportement fragile qui est dû à leur faible ténacité représente leur inconvénient principal. Enfin, leur mise en forme est plus d li ate ue elle des tau . Pou la o eptio d i pla ts dentaires, seules la zi o e et l alu i e peuvent être utilisées car elles possèdent une combinaison attractive de propriétés de résistance à la

o osio , de sista e à l usu e et de sista e a i ue, e plus d t e io o pati les.

Les p i ipau a a tages de la zi o e su l alu i e da s l appli atio de tai e so t sa plus g a de t a it et sa plus g a de sista e à la fle io pou u odule d You g i f ieu Tableau I-2). La zircone pure e iste sous la fo e d une phase monoclinique à température ambiante et ce jus u à 70 °C. A cette température, une transformation de phase se produit pour conduire à une phase tétragonale puis, à 2370 °C, une transformation en une phase cubique est enregistrée. Afin de mettre en forme des céramiques à base de zircone, des températures élevées sont donc mises en œu e afi de pe ett e le f ittage des poudres. Le refroidissement engendre alors une transition de phases (de tétragonale à monoclinique) qui est associée à une expansion de volume de 3 à 5 % ce qui

14

génère des contraintes qui peuvent t e espo sa les de fissu es et li ite t do l utilisatio de la zircone pure. Pour pallier ce problème, les phases obtenues à hautes températures doivent être stabilisées jus u à te p atu e a ia te. L ajout d oxydes tels que MgO, CaO ou Y2O3 permet de

stabiliser ces phases. Il est alors possible d o te i u e a i ue ultiphas e nommée zircone partiellement stabilisée (Partially Stabilized Zirconia : PSZ) comportant une microstructure majoritairement cubique avec des précipités mineurs de phases monoclinique et tétragonale. La caractéristique spécifique de cette céramique multiphasée et que lorsque des contraintes sont appli u es et u u e fissu e se p opage au sein de la céramique, les grains de zircone métastables ayant une phase tétragonale peuvent se transformer en une phase monoclinique stable et donc grossir permettant alors d appli ue une contrainte de compression à la pointe de la fissure empêchant sa propagation. Cela permet donc d améliorer la ténacité de la céramique. Il est également possi le d obtenir une phase tétragonale stable à température ambiante connu comme zircone tétragonale généralement sta ilis e à l tt iu (Yttria Tetragonal Zirconia Polycrystal :

Y-TZP). La proportion de phase tétragonale obtenue à température ambiante dépend de la taille des

grains, de la concentration en dopant, de la contrainte exercée sur eux par la matrice et de l histoi e thermique du matériau.

Afi de e fo e la t a it de l alu i e, une stratégie similaire à celle pour la TZP a été proposée consistant en la dispe sio de pa ti ules de zi o e da s u e at i e d alu i e. Grâce à la p o t ai te e pa l e pa sio de olu e de la zi o e du a t le ef oidisse e t du matériau, celui-ci a des propriétés mécaniques améliorées, notamment la ténacité. Ce matériau est appelé alumine renforcée en zircone (Zirconia Toughened Alumina : ZTA) [21].

Tableau I-2 : Propriétés mécaniques des principales céramiques utilisées pour la fabrication d'implants dentaires [données CES Edupack 2017]

Matériau Module d’You g (GPa) Résistance à la flexion (MPa) Résistance à la compression (MPa) Ténacité MPa. √ Dureté (HV) α-Al2O3 380 – 400 540 – 560 4400 – 4600 1,2 – 1,53 1960 – 2300 ZrO2 (Y-TZP) 205 – 212 850 – 910 1900 – 2000 9 – 10,5 1200 – 1250 ZrO2 (PSZ) 195 – 205 952 – 1050 1900 –2100 7,6 – 9,2 1330 – 1470 ZrO2 renforcée Al2O3 (ZTA) 366 _{– 384} 429 _{– 473} 2190 _{– 2420} 6,5 _{– 13} 656 _{– 725}

15

Les polymères sont très peu utilisés car ils ne possèdent pas des propriétés mécaniques adaptées à cette application et ne sont pas toujours stables chimiquement. Le polyetheretherketone (PEEK) est néanmoins un polymère mis en oeuvre dans le domaine des implants dentaires grâce à sa biocompatibilité et ses bonnes propriétés mécaniques. Ces dernières peuvent être améliorées par l ajout de fibres de carbone ou de verre (Tableau I-3). Ce matériau possède une bonne stabilité chimique de part son fort taux de cristallinité [21]. Avec ce matériau comme avec les céramiques, le p o l e esth ti ue e as de l ge d hausse e t e iste pas.

Tableau I-3 : Propriétés mécaniques des principaux polymères utilisées pour la fabrication d'implants dentaires [données CES Edupack 2017] Matériau Module d’You g (GPa) Limite élastique (MPa) Contrainte à la rupture (MPa) Résistance à la flexion (MPa) Résistance en fatigue à 10^7 cycles (MPa) Ténacité MPa.√ PEEK seul 3,8 – 4,0 87 – 95 70 – 103 105 – 116 28 – 41 2,7 – 4,3 PEEK + 30% fibre de carbone 21 – 25 190 – 228 190 – 228 276 – 335 115 – 127 6,3 – 7,9 PEEK + 30% fibre de verre 9 _{– 11} 124 _{– 158} 155 _{– 197} 228 _{– 290} 62 _{– 81} 5,3 _{– 7,9}

D'autres matériaux ont aussi été développés tels que ROXOLID®. Cet alliage métallique, composé de 15 % de zirconium et de 85 % de titane, possède une résistance à la traction et à la fatigue plus élevées que celles du titane pur ainsi que d'excellentes capacités d'ostéointégration. Ceci permettrait de fabriquer des implants plus fins et donc moins invasifs [23].

I-2.

L os et la reconstruction osseuse

Afi de ieu o p e d e les ph o es d i t g atio des i pla ts de tai es da s l os, rassemblés généralement sous le terme ost oi t g atio , ai si ue les pa a t es l i flue ça t, nous nous intéressons dans cette partie au tissu osseu ai si u au e odelage et à la i at isatio de ce dernier.

16

I-2-1

La structure de l’os

I-2-1-a. A ato ie fa iale et t pes d os

L os a illai e ai si ue la a di ule Figure I-4) sont les deux os supportant les dents et donc susceptibles de recevoir un implant dentaire. L os a illai e o stitue le squelette de la â hoi e sup ieu e alo s ue la a di ule est l os s t i ue o stitua t l tage i f ieu de la face.

Figure I-4 : Schéma des différentes parties osseuses du crâne

Source : https://www.futura-sciences.com/sante/definitions/medecine-crane-8147/

Plusieu s t pes d os o pose t les l e ts p de e t it s. Nous pou o s disti gue (Figure I-5) [24] :

- L os cortical, aussi appelé os compact, dont la structure est adaptée pour résister aux o t ai tes a i ues et o stitue la pa tie p iph i ue de l os. Il a u e st u tu e lamellaire et est constitué de groupes de cylindres concentriques formés de fibres. Au centre de chaque groupe, appelé ostéone, se trouvent les canaux de Havers, siège des vaisseaux sanguins.

- L os trabéculaire ou os spongieux, se présente comme de minces plaques, appelées trabécules, séparées par de la moelle, il est donc peu dense. De plus, il possède une faible résistance mécanique et est alo s toujou s e elopp pa de l os o pa t. L os spo gieu étant riche en cellules conjonctives adipeuses et en éléments sanguins, il permet les échanges métaboliques.

17

- L’os alv olai e, spécifique aux os de la mâchoire, assure le support dentaire en constituant leu loge e t à l aide du e t et du liga e t pa odo tal [25]. L os al olai e « naît, vit et meurt » a e les de ts. La oissa e ai si ue l olutio de l o ga e de tai e so t do liées a e elle de l os al olai e [26]. Cet os al olai e est l e te sio du a illai e et de la mandibule. Il est formé de 2 structures : l os al olai e ui p olo ge l os asal a illai e ou mandibule) sans démarcation et du procès alvéolaire ui est l os e tou a t les al oles dentaires pe etta t le soutie des de ts. L os al olai e se o pose d u os spo gieu entouré de deux tables en os cortical [27]. Il est en effet constitué en périphérie par une ou he e te e d os o pa t et d u e pa oi i te e d'un os particulier appelé fasciculé. Ce dernier est formé de l'extrémité des fibres du ligament alvéolo-dentaire et des fibres de l'os lui-même. En radiologie cette superposition s'appelle lamina dure. Entre ces deux parois réside un os spongieux [28]. Cet os est plus épais dans la mandibule que dans le maxillaire [29].

Figure I-5 : Schémas représentatifs de la st u tu e de l’os à gau he et de l'e vi o e e t de tai e à d oite, modifié à partir de [2])

De plus, une classification des os de la mandibule et du maxillaire a été proposée par Lekhom

et Zarm en 1985 en fonction de la qualité ainsi que la densité osseuse [30] :

- Type I : la â hoi e est o pos e d os o pa t ho og e ;

- Type II : u e ou he paisse d os o pa t e tou e u os t a ulai e de se ; - Type III : u e fi e ou he d os o ti al e tou e u os t a ulai e ;

- Type IV : u e fi e ou he d os o ti al e tou e u os trabéculaire de faible densité ;

La pa titio de es diff e ts t pes d os da s les l e ts o stitua t la â hoi e est ep se t e sur la Figure I-6.

18

Figure I-6 : Schéma représentant la qualité osseuse (classée de I à IV) dans les différents secteurs de la mâchoire [31]

Pou fi i , l os est u tissu o jo tif sp ialis da s le uel so t asso i s u e phase i ale sous forme de cristaux de phosphate de calcium de structure apatitique (ou apatite) et une matrice o ga i ue fi euse. L os se o pose de % (m/m) de phase minérale, 35 % (m/m) de matrice osseuse organique et 5 % (m/m) de cellules spécifiques à celui-ci [32]. Ces différents constituants sont décrits par la suite.

I-2-1-b. La matrice organique

La at i e o ga i ue de l os se o pose esse tielle e t de fi es de ollag e de t pe I % ui o stitue t l a hite tu e du tissu osseu . Des p ot i es ollag i ues, o e le ollag e de type V et III, ainsi que des protéines non collagéniques composent les 10 % restant [32], [33].

Les fibres de collag e so t fo es g â e à l asse lage de fi illes de ollag e. Le ollag e de t pe I est u e p ot i e o ga is e e fi es pa all les au sei d u e e ou he et ha ue ou he poss de u e o ie tatio diff e te de ses fi es. Cela e pli ue l aspe t lamellaire de l os. Cette st u tu e ollag i ue, de pa t sa g a de lasti it , pe et u e g a de sista e à la uptu e e pe etta t u e dissipatio d e gie pe da t la d fo atio . La de sit ai si ue le t pe de réticulation entre les fibres de collagène dictent la rigidité et la ténacité du tissu osseux [34].

Les protéines non collagéniques, quant à elles, régulent la minéralisation et la croissance de l os. Elles so t o euses et o t des fo tio s a i es. Ce tai es telles ue l ost o e ti e, l ost o al i e et la sialoprotéine osseuse jouent un rôle sur la minéralisation osseuse alors que d aut es i flue e t le e odelage osseu . Des facteurs de croissance (Insulin-like growth factor-1

(IGF-1), Insulin-like growth factor-binding protein-5 (IGFBP-5), Bone Morphogenetic protein 2 (BMP-2), Transforming Growth factor beta 1 (TGF-β1 agissant sur les ostéoblastes, les cellules

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vascularisation (Fibroblast growth factor (FGF), Vascular endothelial growth factor (VEGF)) sont également présents [35], [36].

I-2-1-c. Le minéral osseux

La f a tio i ale de l os est o pos e de istau a o t i ues d apatite sous fo e de pla uettes allo g es selo l a e de la st u tu e he ago ale de l apatite [37]. Ces cristaux se forment au sein des fibres de collagène. Le processus de formation de ces cristaux est initié par un processus de germination hétérogène. Par la suite, la germination de nouveaux cristaux ainsi que le g ossisse e t des istau p de e t fo s se d oule t e a t ai si o upe tout l espa e li e e t e les fi illes de ollag e de l os [38]. Le tissu osseux est donc un matériau composite organique-inorganique.

Les istau d apatite d its p de e t o espo de t à une apatite carbonatée déficiente en ions calcium et hydroxyde. En effet, la non-stœ hio t ie de ette apatite s e pli ue principalement par la substitution des ions PO43- par des ions bivalents tels que CO32- et/ou HPO42-. Il

a été montré que la quantit d io s HPO42- da s l os di i ue alo s ue la ua tit d io s CO3

2-aug e te a e l âge de l hôte. L i o po atio de es deu io s i ale ts e ge d e u e pe te de ha ges gati es da s le istal d apatite. Ces de i es so t ajo itai e e t o pe s es par des la u es e io s al iu et h d o de. La fo ule g ale de l apatite o stitua t l os peut alo s s i e [37] :

Ca PO HPO ,CO OH

Ces a o istau d apatites nanocristallines déficientes en calcium constituant la phase minérale du tissu osseux présentent également à leur surface une couche hydratée contenant des ions labiles (Figure I-7). Cette couche hydratée a une composition et une structure différente de celle du œu du istal apatitique et représente un domaine non-apatitique [37]. Elle permet de réduire l e gie de su fa e des a o istau et ali e te la oissa e des do ai es apatiti ues. De plus, les échanges ioniques entre la couche hydratée et les fluides environnants sont favorisés en o pa aiso a e le do ai e apatiti ue du a o istal. Cela pe et do d e pli ue la g a de réactivité de surface des apatites biologiques [39].

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Figure I-7 :S h a ep se ta t la oupe d’u a o istal d’apatite iologi ue o t a t u œu de st u tu e apatiti ue et u do ai e h d at o stitu d’io s da s des e vi o e e ts o -apatitiques facilement échangeables

avec les fluides biologiques [39]

I-2-2

Les cellules osseuses et la reconstruction osseuse

I-2-2-a. Les cellules osseuses

On distingue trois types de cellules osseuses à savoir [24], [32], [40] :

- Les ostéoclastes : ce sont des cellules géantes poly-nucléées de type macrophage. Elles sont espo sa les de la so ptio osseuse. Pou ela, elles doi e t s a e à la at i e osseuse. La cellule est ensuite activée et la membrane plasmique, en contact avec le tissu osseux, acquiert une structure de type « bordure en brosse ».

- Les ostéoblastes : ils sont issus des cellules stromales de la moelle osseuse et responsables de la formation et de la minéralisation du tissu osseux. Ils jouent un rôle important sur le remodelage osseux car ils synthétisent des facteurs de croissance. Leur prolifération diminue a e l âge.

- Les ostéocytes : ce sont des ostéoblastes englobés da s l os u ils ont contribué à fabriquer. Ils sont reliés entre eux ai si u au ellules o da tes ost o lastes o a ti es par des canicules.

I-2-2-b. Le remodelage osseux

G â e à l a tio des ost o lastes et des ost o lastes, le tissu osseu est a e à se renouveler, vraisemblablement dans le but de conserver ses propriétés biomécaniques et de maintenir la réactivité du minéral osseu . Le le de e odelage de l os est d e i o ois hez l adulte. Il faut ote ue l os t a ulai e su it le p o essus de e odelage plus f ue e t ue

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l os o ti al a il poss de u e g a de su fa e de o ta t e t e le tissu h atopoï ti ue1 _{et les}

cellules osseuses. Il peut alors être considéré que 80 % de l os t a ulai e est e ou el ha ue année alors que seulement 4 % de l os o ti al l est [40]. Ce processus de remodelage osseux siège da s des u it s de e odelage d e i o µ de dia t e appel es BMU (Bone Remodelling

Units) et peut être découpé en cinq phases distinctes représentées sur la Figure I-8 et explicitées

après [32] :

La première est la phase de quiescence qui peut durer des années dans des conditions normales. Durant celle-ci les cellules bordantes, ou ostéoblastes quiescents, recouvrent la majorité de la su fa e de l os afi d e p he les ost o lastes de l attei d e.

Puis vient la phase d’a tivatio contrôlée par des signaux hormonaux et physiques. Des pré-ostéoclastes, précurseurs mononucléés, vont migrer vers la surface osseuse. Puis, la fusion de ces cellules engendre la formation des ostéoclastes. Une fois que les cellules bordantes se seront t a t es sous l a tio o jugu e de la parathormone (Parathyroïd hormone – PTH), du calcitriol (1,25(OH)2D) et de la prostaglandine E2, les ostéoclastes vo t pou oi s atta he à la at i e osseuse

et assurer la fonction de résorption.

La phase de résorption osseuse peut alors commencer. Les ostéoclastes, possédant une po pe à p oto s de t pe a uolai e, a idifie t leu e i o e e t jus u à pH = g â e à la libération de protons. Cette acidification conduit alors à la dissolution de la matrice minérale. Les ostéoclastes vont également sécréter dans le micro-compartiment plusieurs enzymes (cathepsines, h d olases,… ui o t d g ade la pa tie o ga i ue de l os. Ces deu d g adatio s e ge d e t la fo atio d u e a it appel e la u e de so ptio da s la uelle u apillai e sa gui a se ett e e pla e au e t e du tu el do t les pa ois o t se tapisse d ost o lastes.

La phase d’i ve sio du processus i te ie t suite à l aug e tatio de la o e t atio e calcium dans la cavité de résorption résultant de la dégradation de la matrice osseuse. Ce calcium est a so pa la ellule puis li da s l espa e e t a-cellulaire. Au cours du transit cellulaire, l aug e tatio de la o e t atio e al iu a i dui e u e d so ga isatio des ph o es d adh e e e t e les ost o lastes et la su fa e osseuse. Aussi, les ost o lastes o t li e des fa teu s de oissa e TGFβ lo s de la phase d a ti atio pe etta t d atti e les p -ostéoblastes qui vont par la suite se différencier en ostéoblastes.

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La phase de formation permet la mise en route du processus de formation osseuse. Celui-ci résulte de la prolifération des ostéoblastes matures. Ces cellules apposent des couches o e t i ues d os ofo et o al ifi , appel ost oïde, afi de pe ett e le o le e t de la la u e de so ptio . “eul l t oit a al o te a t le aisseau sa gui pe siste. C est u ph o e rapide car cette matrice osseuse atteint une épaisseur de 20 µm en un mois. Certains ostéoblastes restent pi g s da s l os ofo ; ce sont les ostéocytes. Le processus de minéralisation de l ost oïde o e e alo s.

Au cours de la vie, le processus de remodelage osseux peut se décomposer en trois phases. La première est une phase de croissance durant laquelle le capital osseux augmente : il y a plus de matrice osseuse synthétisée que résorbée. Cette phase atteint son apogée environ 3 ans après la pu e t . U e phase d uili e s ta lit jus u au e i o s de a s. Puis u e phase de d fi it p e d pla e ui pe siste jus u à la fi de la ie. Cette de i e phase est plus p o o e hez la fe e ue hez l ho e.

Figure I-8 : Schéma représentant les différentes phases du remodelage osseux ; modifié de [40]

I-2-2-c. La cicatrisation après implantation

La i at isatio de l os ap s la pose de l i pla t est u ph o e i po ta t à o p e d e afi d t e e esu e de le fa o ise . E effet, diff e tes tudes d o t e t u u s h a de cicatrisation commun existe [27]. Celui-ci peut être décomposé en deux grandes étapes.

Le stade précoce de la guérison s'articule autour de la réponse initiale du corps au matériau t a ge i pla t : adso ptio de p ot i es, a ti atio pla uettai e, fo atio d u aillot et réaction inflammatoire. Le succès de la guérison au cours de cette étape dépend de la stabilité

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i itiale de l'i pla t da s l os et des a a t isti ues de la su fa e de l'i pla t. La su fa e de l'i pla t essite e effet u e topog aphie sp ifi ue pou pe ett e u e liaiso a e l os. A la fi de cette tape de i at isatio u os fi eu i atu e, o la t l'espa e e t e le tissu osseu de l hôte et la surface de l'implant, est formé. Ceci peut être accompli par l'ostéogenèse à la fois de contact et à distance.

Puis, la seconde étape de la guérison osseuse implique le e odelage de l os i atu e p de e t fo afi d o te i u os la ellai e atu e. Co e e pli u p de e t, le remodelage osseux est un processus continu qui se produit tout au long de la vie et les contraintes mécaniques subies par l'os entourant l'implant influencent significativement ce processus de remodelage. Les différentes étapes de la cicatrisation osseuse sont explicitées plus en détail ci-après [41], [42].

Da s u p e ie te ps, l i pla t est e o ta t a e le sa g. De ela sulte u e s ie de processus biologiques à savoir : le d pôt de p ot i es à la su fa e de l i pla t, la oagulatio , la réaction inflammatoire puis la formation du tissu osseux.

Une monocouche de protéines s adso e t sur la surface de l i pla t uel ues se o des ap s l i pla tation. Celles-ci vont par la suite interagir avec les plaquettes sanguines et les cellules mésenchymateuses. La composition de cette couche est largement déterminée par les propriétés de su fa e de l i pla t et le t pe de p ot i es adso es à la su fa e de l i pla t peut d te i e la

po se du tissu hôte et do l effi a it de la i at isatio .

Par la suite, les plaquettes, qui sont les premières cellules à venir en contact avec la surface de l i pla t, li èrent des fa teu s de oissa e et s agglo èrent afin de permettre la formation du caillot. Le fibrinogène, une protéine importante du plasma sanguin, aide aussi à la coagulation. La formation du caillot donne les composantes mécaniques et biochimiques nécessaires à l ost o o du tio 2_{. Ce caillot fibrillaire se transforme peu à peu en tissu de granulation [27]. Ce}

de ie est u e at i e D p o isoi e pe etta t l adh sio ellulai e et la as ula isatio autou de l i pla t. Les pla uettes so t a ti es pa le o ta t a e la su fa e de l i pla t et le deg d a ti ation est grandement influencé par la topographie de surface.

La réponse inflammatoire apparait conjointement et interagit avec la coagulation. Les neutrophiles3 _{et les monocytes}4 _{sont des leucocytes}5 _{jouant un rôle important dans la réponse}

2 _{Ensemble des phénomènes permettant aux éléments cellulaires (cellules ostéocompétentes), vasculaires et} ost oi du teu s, e p o e a e du lit osseu , d attei d e la zo e osseuse à pa e .

3_{Glo ules la s i pli u s da s l a so ptio et da s la digestio de a téries.}