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57~
La pr~sente invention a pour objet des nouveaux
mat~riaux bior~actifs utilis~s notamment pour les
implants et les proth~ses sur hommes ou animaux
dans les domaines m~dicaux, dentaires et vt~rinaires.
Par mat~riaux bior~actifs, suivant la pr~sente
invention, on comprend des matériaux r~sultant de la
fusion de mélanges d'oxydes ou de sels ou de tout
autre pr~curseur m~tallique et ~ui sont susceptibles
- 1~ de r~agir biochimiquement avec les tissus vivants
et plus particulièrement les tissus osseux.
Les verres et vitroc~ramiques biologiquement actifs
sont connus depuis de nombreuses années. Ains.ides com
positions comprenant de 40 ~ 60 % de SiO~ et B~03
25 % de Na20, 25 % de CaO et quelques pouxcents de
P2 5 ont fait l'objet de nombreuses exp~rimentations.
Dans le cas de telles compositions, l'accrochage avec
l'os est tributaire de la formation en surface du
mat~riau dlune structure microporeuse d~veloppant une
2D ~rande surface sp~cifique, par exemple un gel de silice,
protégé par une couche riche en ions Ca et P. La diffu-
sion s~lective des ions sodium, calcium et phosphore,
la dissolution partielle du r~seau du mat~riau sont les
principal~s étapes qui conduisent à cette structure
' , 25 superficielle induisant la min~ralisation de lios ~ sa
surface.
Suivant les brevets ~es Etats~ .is nos 2301488 et 2243915, des mate-
riaux formés d'une phase vitreuse et d'une phase cris-
talline telle que l'hydroxyapatite ou des autres compos~s
du même groupe cristallin sont basssur le principe selon
lequel la présence de phases cristallineshexagonales dans
la phase vitreuse favorise la croissance ~pitaxique de
l'apatite dans le matriau.
Suivant l'art ant~rieur un même principe r~actionnel
~ la surface du mat~riau en contact avec les tissus
vivants conduit toujours ~ la formation d'un milieu
d~veloppant une grande surface sp~cifique comme par
.
~g~i7c)Z
-- 2
exemple UA gel de silice~
Ces divers : matériaux ont un pouvoir ost~og~nique
lors~u~ls sont au contact d'un mllieu physiologique.
N~anmoins, des experiences r~alis~es sur moutons dont
les r~sultats sont expos~s dans J. of. Biomedic. Mater~
Res. Vol 12, 57-65 (1978) ont montr~ que la structure
superficielle d~velopp~e par les mat~riaux classi~ues
n'assure pas une tenue m~canique ~ long terme des implants
qu'ils recouvrent. Dans un milieu corrosif tel quP le
t0 milieu physiologique, cette structure supericielle se
d~truit et provoque une corrosion trop importante de
1implant.
: La présente invention a pour bu~ de pallier ce~ incon-
v~nients en agissant sur la r~activité de surface du mat~-
; 15 riau de mani~re ~ augmenter la r~sistance ~ la corrosion
des couches superficielles. En conséquence leur r~sistance
m~canique ~ long terme est am~lior~e tout en gardant le
même pouvoir ostéog~nique que les materiaux connus jusqu'~
pr~sent.
La présente invention a pour objet des nouveaux ma~ériaux
bioréactifs d~veloppant en lPur surface au contact ~es
: tissus vivants une couche silico- alumineuse qui se forme
apr~s dissolution s~lective d'ions dans le milieu environ-
nant. De tels mat~riaUx bior~actifs qui n'ont jamais ~t~
synth~tiss jusqu'~ present sont obtenus par le choix en
proportions définies des divers oxydes m~talli~ues les
constituant.
Les mat~riaux bioréactifs, suivant la pr~sente invention
sont caract~rises en ce qu'ils sont obtenus par fusion d'un
m~lange de 20 ~ 50 % en poids de SiO2, 15 ~ 25 ~ en poids
de CaO, 5 ~ 10 ~ en poids de P205, 15 ~ 25 % en poids de
Na2O et 3 ~ 15 % en poids de Al~03 ou de leurs pr~curseurs
~etallques donnant par fusion des quantit~s equivalentes
en oxydes.
'~t `
~.~ 9~7~'~
3 --
Par fusion, on entend tout proc~d~ qui permet d'obtenir
~ une temp~rature sup~rieure ~ 500 C une structure
vitreuse. Le m~lange avant fusion peut ~tre obtenu par
les techniques connues comme par exemple le m~lange des
poudres ou les techniques indirectes comme par exemple la
méthode des gels.
Par pr~curseur metallique,on entend tout composé m~tal-
lique susceptible de donner des oxydes par fusion.
Par exemple, les hydroxydes, carbonates et nitrates
p~uvent ~tre utilis~s suivant la présente invention
en quantit~ ~quivalentes de telle manière que l'on
obtienne par fusion les quantit~s desir~es en oxydes.
Les compositions bior~actives qui font l'objet de la
présen~e invention doivent toujours contenir un taux
minimum d'ion formateurs de réseaux : 5iO,2, A1203 qui
garantissent la formation au contact des tissus osseux
d'une couche silico-alumineuse et la stabilit~ chimique
long terme du mat~ri~u~
La teneur en SiO~ doit 8tre sup~rieure ~ 20 ~ parce
2~ qu'il est l'ion formateur principal du r~seau du verre~
Une teneur sup~rieur ~ 50 % de SiO2 diminue fortem~nt
la réactivi~é du matériau bloréactif.
La pr~sence,d'oxyde d'aluminium renforce la r~sistance
à la co~rosion des structures superficielles du mat~riau
bioréactif. Il a ~t~ constaté que llA12 03 doit ~tre pr~-
sent en une quantité d'au moins environ 3 % en poids pour
pouvoir jouer ce rale. Une orte teneur en alumine au-
del~ de 15 % en poids provoque une série de phénomènes
difficilement contr81ables durant la pr~paration,notam-
ment'la devi~ification qui modifie les propri~tés des maté-
riaux bioréactifs.
Les quantités de P205~ utilis~es dans les compositlons
pour l~obtention des mat~riaux bior~actifs sont ccmprises
entre 5 et 10 ~ en poids. Cet ~l~ment,contribue ~ la
formation de l'os ~ la surface du mat~riau mais une
`:
~gSi7C)~
augmentation de la limite superieure n'apporte aucun
avantage particulier.
Les teneurs en ions alcalins et alcalino-terreux
determinent les reactivites a court et a moyen terme du
materiau.
Ces teneurs doivent donc être judicieusement
choisies en fonction de differents paramètres d'utilisa~ion
comme par exemple la vascularisation du milieu physiologi-
que. Elles sont comprises entre 15 et 25 % en poids de
lQ CaO et de Na20; le CaO pouvant etre substitue par du MgO
et/ou du CaF2 et le Na20 par du K20 et/ou du Li20.
Les experiences réalisees in vivo ont montre que
la prsence de CaO et P205 dans les materiaux bioreactifs
favorise la repousse osseuse à la surface de celui-ci. De
plus, le rapport des teneurs en CaO et P~05 est choisi de
telle manière que ce phenomene soit optimal. Preferen-
tiellement ce rapport est de 3.
Suivant la presente invention, les nouvelles
compositions de materiaux bioreactis peuvent comprendre
en plus 5 a 25 % en poids de B203. Ce pourcentage de B203
peut être regle de maniere a diminuer la temperature de
fusion de l'ensemble des constituants et faciliter les
processus de preparation du materiau.
Il est a remarquer que l'adjonction de B203 a une
influence sur les caracteristiques physiologi~ues du mate-
riau final. Selon les utilisations envisagees, des carac-
teristiques physiques telles que le coefficient de dilata-
tion thermique et l'evolution de la viscosite en fonc~ion
de la temperature peuvent être ajustees en faisant varier
la quantite de B203 dans le materiau dans les limites
revendiquees.
~a couche silico-alumineuse qui se forme en pre-
sence des tissus vivants constitue un milieu qui possede
des proprietes catalytiques particuli~rement interessantes.
En outre, elle possede une resistance a la corrosion en
milieu alcalin beaucoup plus grande que le gel de silice.
'~
~ss7~
~ 5 --
Il est de cette mani~re possible de mieux contr8ler le
comportement ~ long terme de ee mat~riau.
Des expériences ont montré que cette couche silico-
alumineuse ~tait stable dans des milieux dont1PpHvaut 11
et que dans ces conditions il n'~tait pas nécessaire
qu'elle soit prot~g~e par une couche Ca-P pour garder
une ~paisseur co~stante. Ce fait est une illustration de
l'effet b~n~fique de l'adjonction d'ions Al3+ dans un
r~seau silicat~ sur la eorrosion de celui-ci.
Suivant une r~alisation préférentielle de l'invention,
ies mat~riaux bioréactifs sont obtenus par fusion dlun
m~lange de 25 ~ 35 % en poids de SiO2~ de t5 ~ 25 ~ en
poids de CaO, de 5 ~ 10 % e~ poids dP P205, de 15 ~ 25 %
en poids de N~0, de 5 à 12% en poids d'A1203 et de lO à 20%
en poids de B ~3 ou ae leurs pr~curseurs m~talliques don-
nant par fusion des quantit~s ~quivalentes en oxydes.
autres oxydes m~talliques peuvent ~tre ~ventuellement
pr~sents dans les mati~res premières ou peuvent être
ajout~es en quantit~s faibles aux mati~res premi~res sans
sortir du cadre de la pr~sente invention. De tels oxydes
jouent un rôle n~gligeable sur les propri~t~s du mat~riau
flnalO
Les nouveaux mat~riaux bior~æ ~fs faisant l'objet de
: la pr~sente invention sont obtenus par fusion telle que
d~finie ci-avant ou pax tout autre proc~dé similaire
connu. Par exemple, par la m~thode des poudres, la fu~ion
peut ~tre réalis~e ~ des températures comprises entre
1.100 et 1.450C. pendant des temps de 3 ~ 12 h. Par la
m~thode des gels~ la fusion peut etre réalis~e ~ des T-
beaucoup pl~s basses, par exemple l~g~rement supérieu~s500 C. Suivant la première méthode, les composants sont
par exemple pr~m~lang~s dans une jarre rotative pendant
quelques heures avant de subir le traitement de fusion.
Le m~lange fondu est, soit coul~ dans des moules de gra-
phite de forme d~sirée dans lesquels le produi~ est recui~ou hien coul~ et broy~ par exemple en poudre ou en particu-
.'; ~, ,
1~9 S70 ~
-- 6
les de granulométrie d~sir~e.Tout autre ~echnique de fusion, de moulage ou de coulage,
dtinjection peut ~tre u~ilisée pour-la fabrication de ma-
t~riaux bior~actifs. Les nouveaux mat~riaux bior~actifs
5 trouvent de nombreuses applications notamment dans les
domaines m~dicaux, dentaires 2t v~t~rinaires
Les mat~riaux bior~actifs faisant l'objet de la pré-
~ sente invention sont utllis~s comme mat~riau de base ou
de recouvrement. Par mati~re de base, on comprend ~gale-
ment toute composition obtenue ~ base des mat~riau~ bio
r~actifs faisant l~objet de la pr~sente invention et ~au-
tres mat~riaux, charges et~ou additifs; ces dernier~ com-
pos~s pouvant etre des poudrPs cerami~ues comme par exemple
1'alumine ou 1'hydruxyapatite. Les mat~ri~ux de ba~e ~eu-
vent se pr~senter sous différentes formes par exemple.~us
forme de poudres, de particules, de flocons et de~ibres.
Ils peuvent etre utilis~s pour la fabrication de pro~u~ts
finis les plus divers : par exemple des produit~ confor-
ms de forme quelconque, des tissus, tricots ou mat~r~aux
non tiss~s trouvant des applications dans le5 domaines m~
dicaux, dentaires et v~térinaires.
En utilisant des techniques connues-par exemple de cou-
lage et de moulage, on peut r~aliser ~ partir de ces nou-
veaux mat~riaux bior~actif~ ~out implant ou proth~se.
Les mat~riaux bioréactifs faisant l'objet de la pr~sen-
te invention sont utilis~s également co~me mat~riau de re-
couvxement ou ~'enduction des implants et/ou proth~ses.
Ces derniers peuvent ~tre recouverts partiellement ou tota-
lement. Ils se prêtent particuli~rement bien au recouvre-
ment de pi~ces en c~ramique d'oxyde d'aluminium sans crain~
dre de diffusion des ions Al3 lors de la d~position mais
peuvent aussi servir au recouvremen~ ou ~ l'enduc~ion de pi~-
ces composées d'autres c~ramiques, de m~taux ou de verres~
Dans ce type d'applications, on fait usage de toute tech-
nique connue de recouvrement, par exemple la d~position
par chalumeau de pxojection plasma.
,1 ..
.
3L1 ~S70~
-- 7 --
Les nouveaux matériaux bioreactis revendiques
trouvent notamment une application interessante pour la
fixation des protheses de la hanche. Par l'utilisation de
ces matériaux bioreactifs, il est possible en utilisant des
formes de protheses autobloquantes de les fixer sans emploi
de ciment et d'obtenir ainsi un cimentage biologi~uement
ideal puisque ces materiaux bioreactifs participent a la
repousse du tissu osseux et a la liaison avec ceux-ci.
Les nouveaux materiaux bioreactifs peuvent egale-
ment trouver de nombreuses applications dans les domaines
medicaux autres qu'orthopédiques. A titre d'exemple, citons
le remplacement des osselets de l'oreille interne moyenne.
Dans le domaine dentaire, les materiaux bio-
reactifs peuvent être utilises comme composants d'implants
pour la fixation des couronnes dentaires.
Dans le domaine veterinaire, ils peuvent sexvir à
realiser par exemple, des protheses orthopediques pour
chiens et pour chevaux.
Lorsqu'ils sont implantes dans un milieu vivant,
ces materiaux bioreactifs subissent a leur surface une
sequence de diffusions selectives chimiques qui conduisent
a la formation d'un milieu favorable a la repousse osseuse.
Cette reactivite en milieu physiologique conduit
a la formation d'un lien chimique durable et mecaniquement
stable avec les os environnants~ C'est pourquoi, ces mate-
riaux sont destinés notamment ~ la fixation de protheses
d'implants en contact avec les os ou avec un milieu physio-
lo~ique dans lequel l'osteogenèse est possible.
La présente invention ~era mieux comprise a l'aide
des exemples non limitatifs decrits ci-apres:
Exemple 1.
_
Un materiau bioreacti~ a ete obtenu par fusion a
: 1350C~ pendant 3 heures d'un melange de 21 % en poids de
Si 2' de 24,5 % en poids de CaO et de Na2O, de 6 % en
poids de P2O5, de 9 % en poids d'A12O et de 15 % en poids
~57~
-- 8 --
de B2O3O Une composition classi~ue connue comprenant 30 %
en poids de SiO2, lS % en poids de B2O3, 24,5 ~ en poids
de Na2O et de CaO et 6 % en poids de P2O5, ne contenant pas
d'A12O3 a ete utilisee comme composition comparative.
Les avantages apportes par l'invention ont pu
être mis en evidence en faisant subir au nouveau materiau
des tests de corrosion in vitro et in vivo.
Une partie des test in vitro a ete réalisee sur
des poudres de 44 ~m à 104 ~m obtenues par bxoyage de la
masse coulee et tamisage, dont la distribution granulome
trique est contrôlée par sédigraphie. Une autre partie des
tests in vitro est effectuee sur des pla~uettes paralleli-
pédi~ues prealablement découpées et rodées à l'outil
diamante. Le test consiste à exposer les poudres et les
plaquettes à une solution aqueuse tamponnee à pH 7.2 et non
tamponnee (eau demineralisee3 pendant des temps variant de
1 jour a 8 semaines.
L'evolution des phases cristallines est suivie
par diffxaction de rayons X, les anal~ses chimiques sont
2Q realisees par spectrophotometrie plasma sur les poudres et
l'analyse des profils de concentration des differents éle-
ments a la surfac2 des plaquettes a pu être realisee a
l~aide d'une microsonde electr~nique. Une méthode d'ad-
sorption d'azote permet de suivre 19 evolution de la surface
specifique des poudres.
L'étude de la cinétique de corrosion in vitro de
la composition classique utilisée à titre comparatif et de
la nouvelle composition revendiquee a permis de mettre en
evidence les diferences fondamentales entre les compo~rte-
ments de surface de ces deux materiaux:
La reactivite de surface du nouveau materiau
bioréactif est plus grande que celle de la composi~ion
classique tdiffusion plus rapide des ions modificateurs
Ca ~ Na 3.
~57~;~
g
Dans un premier temps, 1'oxyde d'aluminium participe
la formation du r~seau de la phase v-itreuse du mat~riau
bior~ac~if ;
Le l~chaqe des ions Ca et Na de la surface du nou-
veau mat~riau induit la formation d9un gel silico-alumi-
n~ux . d~veloppant une surface sp~cifique de plusieurs m2/g
et particulibrement r~sistant ~ la corrosion alcaline.
Cette couche silico-alumineuse en surface forme en elle-
m~me une protectlon bloquant, par sa pr~sence, les ph~no-
nes de diffusion des ions modificateurs.
D'autre part, les tests in vivo d~crits ci-dessous mon
~rent que le nouveau mat~riau, par des m~canismes simples,
r~alise un lien chimique remarquable avec les tissus os-
seux avec lesquels ils sont en contact.
Des implants ont ~t~ pr~pars ~ partir des diff~rents oxy-
des ou diff~rents car~onates corresp~da~ts ~ la composi-
tions reprise ci-avant par fusion ~ dPs temp~ratures de
1350 C pendant 3 heures et par coul~e dans des moules
parall~llpédiques en graphite.
Les pi~oes ainsi obtenue5 sont d~coup~es afin d'obtenir
des ~mplants de m~me que ceux test~s in vitro. Ceux-ci
sont polis ~ la meule diamant~e et st~rilis~s au dioxyde
- d'~thyl~ne. Les implants sont alors plac~s dans des rats
male5 Sprague Dawley de 150 g. On anesth~sie l'animal. Sur
la surface int~rieure de la p.atte arri~r~ gauche, on
d~gage le tibia des muscles environnants, on r~alise une
fente ~ travers les cortex latéraux du tibla ~ l'aidP
d'un foret ~lectrique et on ins~re l'implant dans la
fente. On referme l'incision par points et ayrafes
La fixation avec l'os est évalu~e apr~s 30 jours d~implan
tation. Les tibias sont extraits des animaux sacrifi~s et
d~lest~s des tissus adh~rents. La zone proche de~l'implant
est examinée ~ la fois par coupes histologiques r~alis~es
apr~s enl~vement de l'implant hors de l'os r~cepteur,
; ..,
~5~
a la fois par microsonde electronique après lyophilisation.
Llexamen des implants extraits des animaux sacrifies après
1 mois montre que llincision réalisée dans le tibia était
complatement comblee par de llos mineralise et gue des
excroissances osseuses sur l'implant fixaient celui-ci de
manière parfaite.
Des analyses au travers de l'interface corticale-
implant ont montre clairement la barriere silico-alumineuse
formee à la surface du nouveau materiau, cette barrière est
perméable aux macromolécules de collagène et aux muccopo-
lysaccharides et sert de milieu catalyseur pour la minerali-
sation de l'os.
Les mêmes experiences ont ete realisees sur une
composition classique. Les resultats montrent clairement
que, dans la plupart des cas, ces materiaux subissent une
séquence de corrosion qui conduit à moyen terme a la des-
txuction totale du matériau.
ExemE~e 2.
; Des implants ont été réalises a partir d'un
alliage de titane recouvert du materiau bioréactif dont la
composition est donnee a l'exemple 1.
Des poudres de granulometrie comprises entre 60
et 100 ~m ont é$e synthétisées pour recouvrir sous forme
d'une couche de 300 ~m les implants~
I,es mêmes tests in vitro et in vivo que ceux de
l'exemple 1 ont été appliques sur les implants recouverts
du materiau bioreactif.
Les résultats obtenus sont comparables a ceux de
l'exemple 1 et les memes conclusions sur les qualités
ostéogéniques et la resistance à la corrosion du matériau
bioréactif peuvent être tirées.
