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Biomatériaux Hybrides

Le squelette osseux peut subir des fractures ou des pertes de substance pouvant altérer une ou plusieurs fonctions du tissu osseux. Afin de répondre aux besoins actuels de traitement de ces pathologies osseuses, des céramiques de phosphate de calcium sont utilisées comme substitut osseux. Elles présentent l’avantage d’avoir une composition très proche du constituant inorganique des os. L’activité « Biomatériaux » consiste à développer de nouveaux matériaux hybrides flexibles et biocompatibles constitués de couches actives de phosphates de calcium (CaP) déposées sur des tissus de fibres de carbone qui serviront de support à la régénération osseuse, limitant les risques d’infections, accélérant l’ostéogénèse et permettant ainsi de diminuer les temps de convalescence suite à une fracture. Les très nombreux travaux et publications réalisés dans le domaine des biomatériaux concernent principalement la mise au point de biomatériaux synthétiques afin de remplacer progressivement les greffes de tissus (ou organes) humains ou animaux ainsi que le développement de céramiques CaP injectables et de bioverres utilisés comme ciments et substituts osseux dentaires et orthopédiques. La chirurgie orthopédique est le domaine dans lequel le plus de biomatériaux de nature et de fonctions différentes sont utilisés. L’utilisation des céramiques de phosphate de calcium comme substitut osseux pour le comblement total de l’os (remplacement total d’une partie de l’os) ou partiel (réparation d’une partie de l’os) font également l’objet de recherches en France. A l’ICMN, compte tenu de nos savoir-faire et connaissances des matériaux carbonés, nous nous sommes focalisés sur l’élaboration de matériaux hybrides « flexibles », biocompatibles et ostéoinducteurs pouvant être utilisés comme pansements osseux dans le domaine orthopédique.


Dans ce contexte, la démarche a été :

  • de développer une méthode de chimie douce, la sono-électrodéposition, pour déposer des phosphates de calcium sur un substrat conducteur et poreux constitué d’un tissu de fibres de carbone (TFC) ;
  • d’étudier l’influence des paramètres expérimentaux (en particulier la densité de courant) sur les caractéristiques physico-chimiques, microtexturales et structurales des dépôts de CaP ;
  • de comprendre les mécanismes réactionnels intervenant au cours de la sono-électrodéposition et de déterminer les relations entre ces mécanismes et les caractéristiques des dépôts de CaP ;
  • puis d’étudier l’impact des caractéristiques physico-chimiques des tissus de fibres de carbone seuls et des matériaux hybrides TFC / CaP in vitro au contact d’ostéoblastes humains primaires, en analysant ainsi leur biocompatibilité et le biomimétisme des dépôts.



Les TFC sont bio-inertes, souples et possèdent une architecture poreuse multi-échelle assurant la circulation des fluides biologiques et favorisant ainsi l’adhésion et la prolifération cellulaire. Le revêtement phosphocalcique à déposer doit être bioactif pour permettre une ostéointégration du matériau hybride mais aussi ostéoinducteur pour favoriser la régénération osseuse. L’hydroxyapatite (HAP) est, parmi les céramiques de type phosphate de calcium, celle dont la composition chimique Ca10(PO4)6OH2 est proche de la phase minérale de l’os. De plus, sa capacité de substitution des ions phosphates et hydroxydes, notamment par des ions hydrogénophosphates et carbonates est connue pour augmenter la bioactivité du matériau. Pour le développement du matériau hybride TFC/CaP, la technique de sono-électrodéposition, jusque-là utilisée sur des substrats massifs et métalliques a été transposée sur des substrats TFC présentant une bonne conductivité électrique associée à une porosité modulable. La nature de la fonctionnalité chimique de surface des TFC peut être ajustée pour conférer au substrat carboné un caractère hydrophile, et offrir une interface favorisant l’adhésion du dépôt de CaP.
La sono-électrodéposition permet la précipitation des ions calcium et phosphates issus respectivement du Ca(NO3)2, 4H2O et du dihydrogénophosphate d’ammonium (NH4H2PO4). Cette précipitation, réalisée à la surface d’une électrode de TFC, est initiée par les ions hydroxydes obtenus par hydrolyse de l’eau sous l’action d’un courant cathodique. Les caractéristiques microtexturale, structurale et la composition chimique des dépôts (étude par IRTF, DRX, HR-MET, RMN MAS du 1H et 31P) ont été reliées aux mécanismes réactionnels intervenant lors des processus électrochimiques. Les travaux ont montré que la densité de courant régit le régime d’électrolyse du milieu électrolytique qui détermine la formation de revêtements de CaP constitués soit de phosphate octacalcique (OCP) de morphologie plaquettaire, soit d’hydroxyapatite déficitaire en calcium (CaD-HAP) carbonatée de morphologie plaquettaire ou aciculaire (Figure).
La sono-électrodéposition s’avère être un procédé versatile permettant la synthèse sélective de phases de CaP et l’obtention de dépôts biomimétiques similaires à la partie minérale du tissu osseux obtenue par le processus d’ostéogénèse naturelle.
Des tests de viabilité cellulaire utilisant des ostéoblastes humains primaires (HOST), cellules responsables de la croissance osseuse, montrent que ces biomatériaux favorisent l’adhésion et la prolifération des cellules.

Illustration :