PhD Développement d’une fabrication additive réactive à basse température appliquée aux composés de phosphate de calcium dans le domaine de la réparation osseuse

L’os est un composite minéral-organique constitué de fibres de collagène minéralisées par des nanocristaux de phosphate de calcium apatitique [1]. Bien que le tissu osseux soit capable de s’auto-réparer, une chirurgie reconstructive utilisant des produits de comblement osseux naturels ou synthétiques est souvent nécessaire [2]. De par leur structure et leur composition chimique proches de celles de la phase minérale de l’os, les apatites phosphocalciques sont particulièrement adaptées à la reconstruction osseuse [4]. Cette analogie physico-chimique avec le minéral osseux leur confère une excellente biocompatibilité et bioactivité, et une résorbabilité modulable, que ce soit pour libérer des ions ou des molécules biologiquement actives, ou pour favoriser l’adhésion, la prolifération et la différenciation des cellules ostéoprogénitrices. Le biomimétisme de ces substituts peut également être amélioré en les associant à une phase organique pour conférer au matériau des propriétés mécaniques proches de celles du tissu osseux [3].

La demande des cliniciens alimente les recherches sur la personnalisation de ces substituts osseux composites. Ceci est réalisé par : (i) des formes/conceptions/taux de résorption spécifiques au patient [5] et (ii) une (multi)fonctionnalisation via des molécules (bio)actives ou des ions conférant des propriétés biologiques spécifiques [6,7]. Pour produire des substituts osseux à partir de biomatériaux composites organiques-inorganiques sur mesure, il est donc nécessaire de mettre en œuvre des procédés fonctionnant à basse température [8, 9] pour préserver leurs propriétés biologiques. La composition du produit (solubilité de la phase minérale et biodégradabilité du polymère) est également un paramètre qui détermine la modularité du système, en fonction du site d’implantation et du taux de résorption souhaité [10, 11]. En ce qui concerne la mise en forme personnalisée, le développement de la fabrication additive réactive à basse température est une alternative prometteuse aux procédés de fabrication additive qui nécessitent généralement des températures élevées lors de l’impression ou du post-traitement final de consolidation [12].

Dans cette thèse, nous proposons de nous concentrer sur deux technologies de fabrication additive directe à basse température exploitant la réactivité de précurseurs minéraux et/ou de composites utilisés pour la substitution osseuse (carbonates, sulfates et/ou phosphates de calcium) et développées dans notre laboratoire (CIRIMAT, Equipe Phosphates, Pharmacotechnie, Biomatériaux) que ce soit sous forme de poudre ou de ciment [10,11]. Les deux procédés envisagés sont (i) le robocasting (ou écriture directe à l’encre) [13] où une pâte/encre à base de poudre(s) réactive(s) et de solvant est extrudée à travers une buse mobile (ii) le jet de liant réactif [14] où un le liant aqueux déclenchant la réaction de prise est déposé sélectivement sur les poudres précurseurs. Le robocasting a déjà fait l’objet de travaux préliminaires au sein de notre équipe avec des composites à prise type ciment [15]. Nous proposons ici d’étendre et de compléter cette approche en exploitant les solides connaissances et compétences de notre équipe en physicochimie, formulation et fonctionnalisation du ciment. La seconde approche est relativement récente en termes de développement et a fait l’objet de peu de publications [16, 17]. Une partie de cette thèse portera donc sur le développement de précurseurs sous forme de poudres, dont les propriétés physico-chimiques seront parfaitement adaptées, ou sous forme de liquides liants. Le but sera de contrôler la réactivité du liant et des poudres. Ce point de convergence entre les deux techniques envisagées sera propice à des développements concomitants.

Références (en gras celles de l’équipe PPB) :

1. Rey, C., et al., Propriétés physico-chimiques des apatites nanocristallines : implications pour les biominéraux et les biomatériaux. Science et génie des matériaux : C, 2007. 27(2) : p. 198-205.

2. Gutermann, L., S. Roy et T. Bégué, Sous-titres osseux synthétiques : quelles spécificités ? Journal de Pharmacie Clinique, 2013. 32(2) : p. 79-87.

3. Dorozhkin, SV, Orthophosphates de calcium comme biocéramiques : état de l’art. Journal des biomatériaux fonctionnels, 2010. 1(1) : p. 22-107.

4. Brouillet, F. et al. Matériaux composites biomimétiques à base d’apatite obtenus par frittage plasma (SPS) : caractérisations physicochimiques et mécaniques. Journal of Materials Science : Matériaux en médecine 2015 26(8) : p. 1 à 11.

5. Bose, S. et S. Tarafder, Systèmes céramiques de phosphate de calcium dans le facteur de croissance et l’administration de médicaments pour l’ingénierie des tissus osseux : une revue. Acta biomaterialia, 2012. 8(4) : p. 1401-1421.

6. Pascaud, P., et al., Interaction entre un bisphosphonate, un tiludronate et des apatites nanocristallines biomimétiques. Langmuir, 2013. 29 : p. 2224-2232.

7. Iafisco, M., et al., Apatite nanocristalline superparamagnétique dopée au fer comme système d’administration de doxorubicine. Journal de chimie des matériaux B, 2016. 4(1) : p. 57-70.

8. Grossin, D. et al., Apatite biomimétique frittée à très basse température par frittage plasma : aspects physico-chimie et microstructure. Acta Biomaterialia 2010 6(2) : p. 577‑85.

9. Kergourlay E. et al. Première pulvérisation à froid d’apatite nanocristalline biomimétique carbonée sur Ti6Al4V : caractérisations physico-chimiques, microstructurales et mécaniques préliminaires. Matériaux d’ingénierie avancés 2016 18(4) : p. 496‑500.

10. Noukrati H. et al. Injectabilité, microstructure et propriétés de libération du ciment apatitique chargé de fusidate de sodium en tant que système d’administration local de médicaments, MAT SCI ENG C-MATER, 2016 59 : p. 177-184

11. Jacquart S, et al, Ciment osseux injectable contenant des microparticules de carboxyméthylcellulose comme système d’administration d’argent capable de réduire le risque d’infection associé aux implants, Acta Biomaterialia 2022, 145 : p. 342-357

12. P. Navarrete-Segado, Stéréolithographie masquée d’échafaudages biocéramiques d’hydroxyapatite : de la confection de poudres à l’évaluation des propriétés des pièces imprimées en 3D. Céramiques Ouvertes 2022 9 : p. 100235

13. Shahriar Bakrani B. Processus et matériaux utilisés pour les technologies d’écriture directe : une revue. Résultats en Ingénierie 2021 11 : p. 100257.

14. Wenchao D. et coll. Fabrication additive par jet de liant céramique : une revue de la littérature sur la densité. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions de l’Asme 2020 142(4) : p. 040801.

15. Paterlini A. et coll. Robocasting de biocéramiques auto-durcissantes : de la formulation de la pâte aux caractéristiques des pièces en 3D Open Ceramics 2021 5 : p. 100070

16. Castilho, M Conception informatique et fabrication d’une nouvelle cage biorésorbable pour l’application d’avancement de la tubérosité tibiale ». Journal du comportement mécanique des matériaux biomédicaux 2017 65 : p. 344‑55

17. Oropeza, D., Fabrication additive par jet de liant réactif pour le contrôle microstructural et la stabilité dimensionnelle des matériaux céramiques. Fabrication Additive 2021 48 : p. 102448