Contribution à la compréhension de la formation de la porosité dans des revêtements et des particules de verre bioactif élaborés par projection thermique pour des applications biomédicales

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Verre bioactif, Projection plasma de poudres (APS), Co-projection plasma de poudres et de suspensions (APS/SPS), Revêtements de verre 45S5 bioglass, Volatilisation de Na2O et de P2O5, Atomisation à la flamme oxyacétylénique, Particules poreuses, Phase vitreuse, Bulles de gaz, Scaffolds, Inhibition bactérienne, Bioactivité, Nanoparticules de zircone yttriée

Mots-clés

Bioverres,

Anhydride phosphorique,

Apatite,

Zircone

Cette thèse s’inscrit dans les stratégies développées pour atteindre une performance mécanique et biologique dans des verres bioactifs, qui contribue à répondre aux exigences de l’industrie biomédicale et dernièrement de l’industrie pharmaceutique. Une partie des études a mis en évidence l’effet du traitement thermocinétique des microparticules du verre 45S5 Bioglass® sur la formation de la porosité globulaire dans les revêtements élaborés par projection plasma à pression atmosphérique (APS). La compréhension du comportement des particules de 45S5 Bioglass® dans le jet de plasma a permis d’identifier les changements de la composition chimique subis par la poudre projetée du fait de la volatilisation des espèces Na+ et P+, et d’établir des stratégies pour réduire les défauts structuraux dans les revêtements. Des revêtements de verre/zircone yttriée (YSZ) élaborés par co-projection APS et plasma de suspensions (SPS) ont été également étudiés. Leur structure consistait en des splats/lamelles de microparticules de verre 45S5 Bioglass® entourés par des nanoparticules de YSZ. La double approche consistant à réduire la porosité globulaire et à ajouter un renforcement de nanoparticules a amélioré la microdureté Vickers des revêtements à base du verre 45S5 Bioglass®. Par ailleurs, les nanoparticules de YSZ ont présenté un effet catalytique sur la formation d’apatite lors de l’exposition de ces revêtements à un fluide physiologique simulé (SBF). La formation de la porosité dans des particules de verre atomisées par projection flamme (FS) a fait l’objet de la deuxième partie de cette thèse. Cela a conduit à identifier les phénomènes intervenant dans les particules en vol et à établir les conditions d’atomisation appropriées. La formation de la porosité interconnectée dans les particules atomisées est limitée à la fois par la diminution excessive de leur viscosité en vol et par le flux de chaleur hétérogène dans les particules de morphologie irrégulière. La rétention de cette porosité dans les matériaux hautement amorphes ayant une volatilisation importante des espèces lors de l’atomisation est favorisée à l’aide d’un agent externe (AE ; p. ex. : CaCO3). L’AE limite l’énergie thermique échangée par les particules de verre en vol, telle que la viscosité peut également être contrôlée par le rapport massique verre/AE, en plus des conditions d’atomisation. Cet agent externe à la surface des particules de verre atomisées agit comme formateur de cratères tout en facilitant la conduction de l’énergie thermique vers le centre des particules atomisées si leur conductivité thermique (λp) est plus élevée. L’utilisation de particules poreuses sous forme d’architectures ayant une porosité hiérarchique (scaffolds) constitue la dernière partie des études de cette thèse. Les scaffolds ont présenté une inhibition bactérienne en libérant des molécules de Sulfate de Gentamicine (SG) stockées dans leur structure. L’effet inhibiteur des scaffolds est prolongé à ~ 72 et 120 heures respectivement pour les souches à Gram positif et à Gram négatif. Les cellules ostéoblastes ont mis en évidence une viabilité modérée au contact de ces scaffolds étant donné les changements de la composition chimique des particules de verre 43S2,5 en verre 51S9,0 (selon la nomenclature de L. Hench) lors de l’atomisation par projection flamme. La viabilité cellulaire diminue lors de l’augmentation de la teneur massique de nanoparticules de YSZ infiltrées dans les particules poreuses de verre 51S9,0, en raison de l’apoptose cellulaire causée par la lixiviation des ions Y+. Cependant, l’effet catalytique de YSZ dans la formation d’apatite favorise l’adhésion, la prolifération et la reproduction des cellules ostéoblastiques survivantes dans les scaffolds ayant 10% mas. de YSZ.