Brevet FR2697184A1 — publié le 19940429

Procédé de fabrication de matériaux, d'intérêt biologique simPles ou multiphasés. La présente invention concerne un procédé de fabrication de matériaux, d'intérêt biologique, simples ou multiphasés tels que des composites ou des céramiques notamment à partir de poudres minérales telles que des poudres de phosphates de calcium, ainsi que les produits à usage biologique obtenus par la mise en oeuvre du procédé et le dispositif nécessaire à la mise en oeuvre du procédé. La compaction dynamique est un procédé aujourd'hui largement utilisé en tant que procédé de soudage ou de mise en forme de poudres métalliques. Un tel procédé est par exemple étudié dans l'article de D.G. MORRIS "Bonding processes during the dynamic compaction of metallic powders" Mater .Sci. & ng Vol 157 PP 187 à 195. Le principe de la compaction dynamique est simple et consiste à générer une onde de choc encore appelée onde de compression élastique qui percute l'échantillon placé dans une matrice de manière à le déformer en entraînant une fusion partielle des grains métalliques en surface et donc une liaison des grains entre eux. Les inventeurs de la présente invention ont quant à eux découvert que, de manière surprenante, on pouvait obtenir sur des produits d'intérêt biologique donc biocompatibles, tels que des poudres minérales, le même résultat et obtenir ainsi sous forme solide des blocs de matériaux qui n'avaient jamais pu être compactés avec les techniques couramment utilisées telles que le frittage. Outre la possibilité d'obtenir de nouveaux matériaux, on évite également les inconvénients liés au frittage qui nécessite de comprimer le matériau à haute température de manière à entraîner une fusion des constituants puis une agglomération des microcristaux qui se forment au refroidissement, constituant une céramique. Cette élévation de la température modifie les propriétés cristallographiques et donc généralement l'activité biologique du matériau.De plus avec certaines poudres minérales telles que les poudres de phosphates de calcium, on obtient des céramiques en phosphates de calcium très fragiles car les échanges thermiques en particulier lors de l'étape de refroidissement du procédé de frittage entraînent des contraintes qui tendent à fissurer le produit fini. Le but de la présente invention est donc de pouvoir réaliser, à partir notamment de poudres minérales, des céramiques, voir des composites par association à des matrices métalliques ou non métalliques, sans élévation de température et avec des possibilités de contrôler la taille et la forme des cristaux finaux ainsi que l'homogénéité du mélange obtenu. Un autre but de la présente invention est de pouvoir associer des substances organiques, en particulier des principes actifs, à ces poudres minérales pour obtenir un relargage progressif dudit principe dans l'organisme. Enfin, un dernier but de l'invention est d'obtenir de nouvelles céramiques à base notamment de phosphates de calcium jamais fabriquées à ce jour. L'invention concerne à cet effet un procédé de fabrication de matériaux, pour utilisation biologique, simples ou multiphasés tels que des composites ou des céramiques notamment à partir de poudres minérales telles que des poudres de phosphates de calcium, caractérisé en ce qu'on compacte dynamiquement un échantillon contenant au moins ladite poudre au moyen d'une onde de choc. L'invention concerne également tout produit biocompatible simple ou multiphasé tel qu'une céramique ou un composite a base entre autres de poudre minérale telle qu'une poudre de phosphate de calcium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit et des dessins joints, lesquels description et dessins sont donnés surtout à titre d'exemples. Dans ces dessins La figure 1 représente une vue en coupe d'une matrice de compactage; et la figure 2 représente une vue schématique simplifiée d'un dispositif permettant le compactage dynamique de poudres. Le procédé objet de l'invention permet la réalisation de produits bioactifs et de ce fait biocompatibles à partir notamment de poudres minérales, de préférence des poudres de phosphate de calcium. Les produits obtenus sont constitués par des produits à base céramique associés ou non à d'autres éléments tels que du métal ou une résine ou des polymères ou des produits organiques, etc selon qu'on veut réaliser une céramique en poudre minérale pure ou un matériau composite. Ces produits sont destinés par exemple à la réalisation d'implants osseux ou cartilagineux, à la réalisation de produits de comblement dégradables, etc. Ce procédé nécessite pour sa mise en oeuvre d'introduire un échantillon comprenant notamment une poudre minérale, en particulier de la poudre de phosphate de calcium, dans une matrice. Dans une deuxième étape, on génère une onde de choc appelée encore compression élastique qui va déformer l'échantillon et donc le densifier de manière à le compacter. L'onde de choc qui déforme l'échantillon et permet son compactage peut être générée de plusieurs manières. Un exemple d'un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé est représenté à la figure 2. Ce dispositif comprend des moyens de générer une onde de choc qui sont ici constitués par un lanceur à gaz désigné par 1 associé à un projectile. Ce lanceur est alimenté par une bouteille de gaz 10. Le projectile désigné par 2 est propulsé par la pression du lanceur et vient heurter la barre d'incidence 3 en créant ainsi une onde de compression élastique. Cette barre vient percuter l'échantillon 4 placé dans la matrice créant ainsi une déformation et donc une densification des poudres à compacter. Lorsque l'onde atteint l'échantillon, une partie est réfléchie dans la barre d'incidence 3 et l'autre partie est transmise dans l'échantillon. L'amortissement est assuré par un absorbeur de choc constitué par une barre de transmission 5.On parlera dans l'exemple représenté à la figure 2 d'un compactage indirect dans la mesure où le choc a lieu sur la barre d'incidence 3 et est transmis par ladite barre 3 à l'échantillon. On peut également imaginer que le choc ait lieu directement au niveau de l'échantillon, le projectile venant directement heurter l'échantillon ou les parois de la matrice. On peut également imaginer, dans un autre mode de réalisation de l'invention, de remplacer le lanceur à gaz et le projectile par un explosif qui va entraîner la génération d'une onde de choc agissant soit directement sur les parois de la matrice et/ou de l'échantillon, soit indirectement par l'intermédiaire de moyens divers de transmission de l'onde. On parlera lâ encore dans ce cas d'un compactage direct ou indirect. La vitesse de propulsion du projectile fonction de la composition des poudres peut varier. Elle est généralement de l'ordre de 60 m/s avec un canon chargé sous une pression de 15 bars. Les barres de Hopkinson utilisées, à savoir la barre d'incidence 3 et la barre de transmission 5 de l'absorbeur sont des barres d'acier qui résistent très bien à la contrainte transmise lors du choc par le projectile. La matrice 6 utilisée pour contenir l'échantillon se compose généralement d'un cylindre ouvert à ses deux extrémités. Cette matrice constitue bien évidemment la chambre de compactage et peut constituer en outre une cavité de moulage. Dans ce cas, les produits obtenus n'ont pas besoin d'être usinés après compactage. Au contraire, on peut réaliser à l'intérieur de cette matrice un bloc de matériau, le bloc étant ensuite usiné pour obtenir la forme désirée. Les poudres à compacter sont généralement retenues à l'intérieur de la matrice par deux pastilles fermant les extrémités du cylindre, comme le montre la figure 1 dans laquelle la poudre à compacter est disposée entre une pastille de compactage 7 et une contre-pastille 8. Pour éviter la formation d'un coussin d'air qui est néfaste pour le compactage et pour éviter toute contamination des poudres, la chambre contenant les poudres est mise sous vide secondaire le vide est de l'ordre de 3 x 10-2 Pa. Le système de pompage du vide est connecté à un canal de pompage 9 du vide de la chambre cylindrique des poudres. Pour réaliser l'étanchéité à l'aspiration de la pompe avec l'extérieur, on dispose des membranes d'aluminium entre les barres et les pastilles, fixées aux extrémités du cylindre. Bien évidemment, pour que la barre d'incidence et la barre de transmission jouent pleinement leur rôle, il est prévu des bagues de guidage qui assurent le centrage desdites barres. Selon les matériaux utilisés et les mélanges en jeu, les pressions varient. On a utilisé à titre d'exemple des pressions de l'ordre de 15 bars pour compacter des poudres à base de phosphate de calcium de formulations différentes. Par contre, des tirs ont été effectués à 40 bars pour compacter des composites métal/phosphate de calcium. De même, ces pressions ont été utilisées pour compacter des céramiques à base de phosphate de calcium ayant des cristaux de grande surface spécifique impossibles à réaliser par des méthodes classiques. Grâce à la mise en oeuvre de ce procédé, on obtient des céramiques en phosphate de calcium ou des produits composites qui permettent d'obtenir une meilleure ostéo-intégration, notamment lorsqu'ils constituent des implants, en raison du fait que ce procédé permet de mieux maîtriser les facteurs physico-chimiques tels que la température de préparation desdites céramiques qui agit sur la porosité et sur la taille des cristaux du matériau obtenu. En outre, il est possible d'envisager l'association d'un tel produit à base de poudres minérales, en particulier de poudre de phosphate de calcium, à un principe actif qui peut être un facteur de croissance, un antibiotique, etc, ou à toute autre substance organique active. Ce produit peut être intégré sous forme pulvérulente ou liquide avant compactage dans la mesure où le procédé n'inclut pas de montée en température.On obtient ainsi, notamment lorsqu'on utilise le produit à base de poudre minérale comme implant, la possibilité d'un relargage progressif du principe actif. De même, il est possible, grâce à ce procédé, d'obtenir de nouveaux produits que ce soit des produits composites ou de simples céramiques, à partir d'éléments choisis dans le groupe des phosphates de calcium tels que les phosphates octocalciques, les phosphates dicalciques, les phosphates dicalciques dihydratés, etc... On obtient ainsi de nouveaux biomatériaux dont les propriétés se révèlent particulièrement intéressantes. Ainsi, le procédé permet de conserver au cours de la compaction la taille et la forme des cristaux. Par conséquent, ces matériaux ressemblant à des céramiques sont parfaitement identifiables en microscopie électronique à balayage et en microscopie à transmission du fait de la taille et de la forme des cristaux obtenus. En effet, les cristaux allongés sont toujours obtenus à basse température. A haute température, généralement, les cristaux se présentent sous forme de petites billes. Il est donc parfaitement aisé d'identifier si une céramique obtenue a nécessité la mise en oeuvre du procédé ou pas. L'invention ne se limite pas aux matériaux biocompatibles à base de phosphates de calcium mais inclut au contraire tout matériau d'usage biologique obtenu par compactage dynamique d'une poudre contenant notamment un minéral. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de matériaux, d'intérêt biologique, simples ou multiphasés tels que des composites ou des céramiques à partir de poudres minérales telles que des poudres de phosphates de calcium, caractérisé en ce qu'on compacte dynamiquement un échantillon contenant au moins ladite poudre au moyen d'une onde de choc. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on génère l'onde de choc par explosion. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on génère l'onde de choc par lancement d'un projectile qui heurte directement ou non la matrice (6) à l'intérieur de laquelle est disposé l'échantillon contenant la poudre. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matrice formant chambre de compactage qui contient l'échantillon à base notamment de poudre de phosphate de calcium constitue une cavité de moulage. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre de compactage est mise sous vide. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on intègre dans l'échantillon un principe actif. 7. Produit, d'intérêt biologique, simple ou multiphasé tel que composite ou céramique à base de poudre minérale telle qu'une poudre de phosphate de calcium, caractérisé en ce qu'il est obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Produit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il constitue un implant, de préférence osseux ou cartilagineux. 9. Produit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il constitue un médicament dont le principe actif a été intégré sous forme pulvérulente ou liquide avant compactage dans l'échantillon. 10. Produit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il constitue une céramique contenant au moins l'un des éléments choisi dans le groupe des phosphates de calcium comprenant en particulier les phosphates octocalciques, les phosphates dicalciques et les phosphates dicalciques dihydratés.