synthese bibliographique

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Chapitre I
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SY YN NT TH HE ES SE E B BI IB BL LI IO OG GR RA AP PH HI IQ QU UE E
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I.1–LES BIO–CERAMIQUES A BASE DE PHOSPHATE DE CALCIUM
I.1.1– Généralités
Il ne peut sans doute pas exister une définition totalement satisfaisante des bio–
matériaux, mais on peut retenir celle proposée lors de la conférence de CHESTER de la Société
Européenne des Biomatériaux, en 1986 : ‘matériaux non vivants, utilisés dans un dispositif
médical destiné à interagir avec les systèmes biologiques’.
Au delà de toute définition formelle, un bio–matériau doit être par nécessité ‘bio–
fonctionnel’, c’est à dire remplir la fonction désirée, mais aussi ‘bio–compatible’, autrement
dit, interagir au mieux avec les tissus dans le corps humain. La bio–fonctionalité est
directement liée aux propriétés mécaniques ou physiques qui permettent l’utilisation d’un
matériau donné, et la bio–compatibilité permet d’assurer sa fonction aussi longtemps que
nécessaire.
Les céramiques se caractérisent par une température de fusion élevée, un
comportement fragile et une grande inertie chimique. Elles possèdent d’excellentes propriétés
de frottement (état de surface, mouillabilité), et ne sont pas sensibles à la corrosion
électrochimique. Leur principal défaut est la fragilité qui peut mener à une rupture en service.
Dans le domaine des bio–matériaux, les céramiques peuvent être classées en trois
groupes : les céramiques inertes, actives en surface et bio–résorbables (figure I.1).
Les bio–céramiques inertes ne présentent aucune ou peu de réaction avec le milieu
biologique mais engendre une réaction inflammatoire immédiatement après l’opération. Elles
sont souvent utilisées pour la fabrication de valves cardiaques ou de prothèses articulaires
pour lesquelles des propriétés, comme la durée de vie et la stabilité, sont très importantes. Les
plus répandues sont l’alumine, la zircone et le carbone pyrolitique.
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Réactivité relative
Temps (jours)
Bio–céramiques résorbables
Surface réactive
Presque inerte
Figure I.1- Spectres de réactivité relative des bio–céramiques
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Les céramiques bio–actives présentent une activité chimique par rapport à
l’environnement physiologique. Elles contiennent des ions que l’on trouve couramment dans
l’os (calcium Ca2+, phosphate PO4-, magnésium Mg2+, sodium Na2+), et sont caractérisées
lors d’un contact direct avec la matière osseuse, par la création d’une liaison biologique avec
le matériau. Il en résulte un phénomène d’adhésion capable de transmettre les forces de
cisaillement. Bien que leurs propriétés de surface soient intéressantes, leur fragilité et leur
faible tenue en fatigue statique limitent leur utilisation. Ces matériaux, souvent à base de
phosphate de calcium, ont une formule chimique proche de celle des tissus (os ou dents), et
peuvent être utilisés seuls ou en pulvérisation sur d’autres matériaux (Revêtement
d’hydroxyapatite sur les tiges fémorales).
En revanche, les céramiques résorbables accompagnent le développement du
nouveau tissu. La reconstruction osseuse et la résorption de l’implant se produisent
simultanément. Au fur et à mesure que la bio–céramique se dissout dans le milieu
physiologique, sa porosité augmente, ce qui permet la repousse du tissu dans l’implant. Parmi
ce type de bio–céramiques, on rencontre celles à base de phosphate tri–calcique.
I.1.2– Les phosphates de calcium
Outre le développement en orthopédie de têtes fémorales en alumine puis en
zircone au début des années quatre-vingt-dix, une nouvelle génération de matériaux de
synthèse à base de phosphate de calcium a ouvert la voie au développement de matériaux bio–
actifs. Les phosphates de calcium occupent une place essentielle compte tenu de leur parfaite
bio–compatibilité, de leur possibilité de bio–dégradation et de leur bio–réactivité.
Il y a 150 ans, le nom « apatite » a été donné à un groupe de minéraux. Il est
originaire du grec et signifie décevant car ces minéraux avaient été confondus avec des
améthystes. Cette famille de céramiques peut être représentée en terme d’un cation bivalent,
M++, un anion trivalent, XO4---, et un anion monovalent, Z+, par la formule M10(XO4)6Z2. La
plupart des apatites cristallisent dans un système à symétrie hexagonale. Elles sont souvent
non stœchiométriques. Le rapport atomique M/X est utilisé pour caractériser cet écart à la
stœchiométrie.
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Selon la stœchiométrie du produit, on peut trouver des phosphates de calcium
bio–dégradables ou permanents. Théoriquement, les apatites stœchiométriques (dont le
rapport calcium/phosphore Ca/P=1.69) sont non résorbables. La vitesse de bio–dégradation
d’une apatite dépend non seulement de sa composition, mais aussi de l’aire de contact avec
les tissus (surface spécifique), de la porosité et du taux de cristallinité.
I.1.2.1– L’hydroxyapatite et le phosphate tri–calcique
L’hydroxyapatite (HAP), de formule chimique Ca10(PO4)6OH2, est l’apatite la
plus connue, étant donnée sa composition chimique très proche de celle des tissus calcifiés
que sont l’os, l’émail et la dentine [MONT77]. Elle a une excellente affinité avec les tissus.
Son avantage principal est de créer de fortes liaisons chimiques avec l’os.
Le phosphate tri–calcique (
β –TCP), de formule Ca3(PO4)2, est plus rapidement
résorbé par les tissus. Le problème rencontré avec cette céramique est sa relative faible
contrainte à la rupture, en particulier lorsque les processus de résorption sont enclenchés.
L’hydroxyapatite et le phosphate tri–calcique sont parfaitement bio–compatibles
et ostéo–conducteurs. Ils sont en général préparés en solution aqueuse par des méthodes de
précipitation. Une solution de sels de phosphate et de calcium, est préparée. Les apatites
(phosphates de calcium) stœchiométriques ne précipitent pas spontanément : d’autres
précurseurs amorphes précipitent d’abord. Après une maturation plus ou moins longue où le
rapport calcium/phosphore évolue, les compositions d’HAP peuvent être obtenues. Le produit
final dépend du rapport Ca/P, de la température et du pH. L’hydroxyapatite et le phosphate
tri–calcique appartiennent à la famille des ortho–phosphates dont les six principaux
composés, caractérisés par leur rapport Ca/P, sont répertoriés dans le tableau (I.1) [HEUG86].
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