Etude du phosphate tricalcique : application à l'élaboration de biomatériaux céramiques macroporeux en phosphates de calcium

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

biomatériaux, frittage, apatites, phosphates, matériaux poreux et porosité, tissus osseux, biocéramique

Mots-clés

Matériaux céramiques en chirurgie - Thèses et écrits académiques,

Substituts osseux - Thèses et écrits académiques,

Biocéramiques - Thèses et écrits académiques,

Phosphates de calcium - Thèses et écrits académiques,

Propriétés mécaniques - Thèses et écrits académiques,

Cristallochimie - Effets de la chaleur - Thèses et écrits académiques

La synthèse par voie aqueuse du phosphate tricalcique apatitique Ca₉(HPO₄)(PO₄)₆(OH), qui conduit au TCP β anhydre Ca₃(PO₄)₂ après calcination à une température supérieure à 700°C, a été étudiée par la méthode des plans d'expériences. Sous couvert d'un contrôle précis de la température et du pH, les conditions de stabilité permettant d'envisager la synthèse reproductible de TCP apatitique sont réunies pour une température de 30°C, un pH compris entre 6,5 et 7,0 et une durée de maturation minimale de 10 h. La validation de ce protocole a nécessité la mise en place de méthodes de caractérisation par ATD et DRX autorisant la détection à des seuils très faibles des deux phases secondaires HA et CPP β qu'est susceptible de contenir le TCP synthétisé après calcination à 1000°C. L'évolution cristallographique du TCP β en température semble se traduire par une compensation progressive des altérations structurales affectant la maille hexagonale à basse température. Le caractère renversable des processus mis en jeu ne semble assuré que sous des conditions restrictives de recuit. Les valeurs optimales de résistance à la rupture et à la propagation de fissures sont obtenues pour des compacts de TCP β pur frittés sous charge à 1100°C pendant 30 mn. Ces valeurs sont respectivement de 85 MPa et de 1,3 MPa.m½. Des pièces macroporeuses de TCP β et de mélange biphasé 65% HA/35% TCP β vouées à la substitution osseuse ont été élaborées par imprégnation de mousse polymérique par des suspensions de phosphates de calcium. Après une étape de broyage-mélange, les suspensions ont un comportement pseudo-plastique rhéofluidifiant pour de faibles valeurs de vitesse de cisaillement suivi d'un écoulement de type linéaire pour un cisaillement plus intense. Les pièces de TCP β présentent, après un frittage de 2 h à 1100°C, une microstructure dense exempte de microporosité pour une macroporosité totale de 74% et une résistance en compression de 2,1 MPa. Les échantillons de BCP présentent, après frittage de 1 heure à 1350°C et recuit de 48 h à 1000°C, une porosité totale de 78,5% composée de 80% de macropores et de 20% de micropores pour une valeur moyenne de résistance en compression de 0,4 MPa. Les matériaux cellulaires obtenus sont à porosité contrôlée et interconnectée : diamètres de macropores compris entre 330 et 690 µm et diamètres d'interconnexion compris entre 50 et 250 µm. Les pièces de TCP β et de BCP finalisées ont des surfaces spécifiques respectives de 0,9 m²/cm³ et de 0,7 m²/cm³.