Brevet FR2686253A1 — publié le 19930723

L'invention se rapporte à un procédé de revêtement d'une prothèse en alliage de titane. Elle se rapporte également à la prothèse obtenue par le dit procédé. On connaît principalement deux types de prothèse - l'une dite avec ciment c'est à dire dont la fixation dans l'os se fait à l'aide d'un ciment bio-compatible et - l'autre dite sans ciment et dont la tige se préfixe par coincement dans une cavité de l'os tandis que l'ancrage final ne s'obtient que par la repousse osseuse qui va, progressivement, coloniser les enfractuosités de la surface externe de la prothèse. L'utilisation de l'une ou l'autre des prothèses dépend uniquement de critères médicaux étrangers à l'invention. Pour que la surface externe de la partie des prothèses non cimentées devant être fixée puisse être colonisée par l'os, il est nécessaire qu'elle présente une porosité optimale. Afin que la prothèse présente en bonne place cette porosité, il est connu de fixer un revêtement poreux à la surface d'un corps de prothèse. Par exemple, il est connu de déposer un revêtement de particules métalliques, telles des billes ou des fibres de titane, par frittage. Ce revêtement permet un accrochage de l'os mais la liaison entre la prothèse et l'os est purement mécanique. On connaît également un revêtement fait à base de céramique et, par exemple, à base d'hydroxyapatite ou d'alumine qui, outre la fixation mécanique, permet une liaison chimique et, de ce fait, réalise un verrouillage physico-chimique. Le cahier des charges pour un revêtement biocompatible de nature céramique doit comprendre les points suivants : - il faut réaliser le dépôt d'une couche homogène de céramique, de composition chimique et de structure physique permettant la liaison physico-chimique avec l'os, - l'adhésion/cohésion de la céramique doit avoir des valeurs de résistance mécanique supérieures aux contraintes prévisibles à l'interface os/implant, - le procédé de dépôt ne doit pas altérer les propriétés intrinsêques de la matière structurale de 1 'implant, - le revêtement doit conserver ses propriétés lorsqu'il est soumis aux conditions rencontrées in vivo qu'elles soient de nature physiques, mécaniques et biologiques. Pour la réalisation d'une jonction céramique métal, il faut, d'une part, réaliser une phase i liante entre le substrat et le revêtement et, d'autre part, que les coefficients de dilatation entre les matériaux soient trés proches pour ne pas entraîner la formation de zones de contraintes lors du traitement thermique nécessaire à la formation de la jonction céramique métal. L'une des techniques actuellement utilisée est la projection par torche plasma. Cette technique est difficile à mettre au point et ne permet pas la réalisation de revêtement reproductible. On constate en effet que, pour un réglage de la torche à plasma, il existe une dérive importante de la qualité de revêtement entre la première prothèse revêtue et la cinquième prothèse ce qui s'avère incompatible avec le but recherché qui est la fourniture de prothèse de même qualité. Dans le cas particulier des revêtements de céramiques bioactives sur alliage de titane, aucun traitement thermique ne suit l'opération de projection. I1 n'y a donc pas de relâchement des contraintes résiduelles ni d'opération de frittage supplémentaire susceptible de créer des véritables liaisons chimiques entre la céramique et le substrat. Ceci est dû à la mauvaise tenue du titane aux traitements thermiques et aux modifications de ses propriétés de résistance à la fatigue. Ces contraintes résiduelles sont induites par le fait que la température du plasma est comprise entre 15.000 et 25.0000 celsius qui provoque une vitesse de trempe de l'ordre de 1.000.0000 celsius par seconde qui fixe les structures cristallines. Le titane ayant des propriétés physiques intéressantes pour une application médicale, il est de plus en plus utilisé à la place des aciers inoxydables. Néanmoins, il présente un défaut important. Lorsque la pièce en alliage de titane est soumise à un réchauffement au dessus d'une température de l'ordre de 9750 celsius qui correspond à la transformation allotropique du matériau, sa structure qui était de type hexagonal compact se transforme en une structure cubique centrée. Cette transformation allotropique modifie les qualités intrinséques du matériau et notamment en diminue ses qualités mécaniques. Cette température étant critique, on ne peut réaliser le revêtement par une méthode d'émaillage classique qui, compte tenu de la faible section des prothèses, entraînerait un échauffement à coeur du matériau au dessus de la température de transformation allotropique et donc une modification de la structure de ce matériau. Un des résultats que l'invention vise à obtenir est un procédé de revêtement de prothèse qui, d'une part, soit reproductible et, d'autre part, n'affecte pas les qualités du substrat. A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de revêtement d'une prothèse en alliage de titane dans lequel, par traitement thermique, on fixe sur la surface d'un substrat une couche d'un matériau bio-compatible. Il est caractérisé en ce qu'avant le traitement thermique qui génère la liaison entre le substrat et le revêtement, on constitue sur la surface du substrat, une couche de ciment phosphaté bio-compatible dont la composition est telle que son coefficient de dilatation soit proche de celui du substrat puis cette couche de ciment étant constituée, on soumet le substrat et le revêtement dont il est recouvert à une opération de chauffage par induction électro-magnétique contrôlé qui provoque une élévation de la température trés rapide et de faible durée de manière à ne provoquer l'élévation de température qu au niveau de la couche superficielle du substrat et juste suffisante pour réaliser une liaison physico-chimique entre le substrat et le revêtement mais qui est trop fugace pour qu'au delà de sa couche superficielle le substrat atteigne la température critique de transformation allotropique de l'ordre de 9000 celsius. Elle se rapporte également à la prothèse obtenue par le dit procédé. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-aprés faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ci-annexé qui représente schématiquement : - figure 1 : vue en coupe, une prothèse, - figure 2 : une étape du procédé de revêtement, - figure 3 : vu en gros plan, un détail de la figure 1. En se reportant au dessin, on voit que la prothèse 1 qui comprend un substrat 2 est, en alliage de titane et recouvert d'un revêtement 3 bio-compatible en céramique phosphatée. Pour la réalisation du revêtement, on soumet le corps 2 de la prothèse à un procédé de fixation dans lequel on fixe par traitement thermique sur la surface du substrat une couche d'un matériau bio-compatible. L'alliage de titane est préférentiellement du type TA6V (FOR) et le revêtement final est du type céramique bio-compatible. Ce procédé est caractérisé en ce qu'avant le traitement thermique qui génère une liaison 4 entre le substrat 2 et le revêtement 3, on constitue sur la surface 5 du substrat 2, une couche 3 de ciment phosphaté bio-compatible dont la composition est telle que son coefficient de dilatation soit proche de celui du substrat. Cette couche de ciment étant constituée, on soumet le substrat et le revêtement dont il est recouvert à une opération de chauffage par induction électro-magnétique contrôlé qui provoque une élévation rapide de la température qui est trés rapide et de faible durée de manière à ne provoquer d'élévation de température qu' au niveau de la couche 6 superficielle du substrat 2 et juste suffisante pour réaliser une liaison physico-chimique entre le substrat 2 et le revêtement 3 mais qui est trop fugace pour qu'au delà de sa couche 6 superficielle le substrat atteigne une température critique de transformation allotropique du substrat de l'ordre de 9000 celsius. Ainsi, en utilisant une fréquence d'induction de 300 KHZ et en limitant le temps de chauffage à trois secondes pour la totalité d'une prothèse fémorale, on limite la modification de structure du substrat à une épaisseur de l'ordre de 200 micromètres. De manière préférentielle, avant le dépôt de la couche 3 de ciment phosphaté, on forme à la surface du substrat une pluralité d'aspérités 7 en pointe de forme apte à augmenter les pertes diélectriques et à contribuer à réduire l'épaisseur 6 du substrat affecté par la modification de structure. Par exemple, ces aspérités seront en pointes. De manière préférentielle, pour constituer la couche de ciment 3, on applique de manière la plus uniforme possible sur le substrat, une couche de coacervat d'une solution précurseur de céramique phosphatée et on élimine l'eau par préchauffage de l'ensemble prothèse et revêtement à une température de l'ordre de 2000 celsius. Cette opération permet l'obtention d'un ciment phosphaté. Dans une autre forme de réalisation, on effectue le dépôt de la couche de ciment par électro-déposition et pressage à froid. On peut également effectuer le dépôt de ciment par projection thermique. De préférence, pour le chauffage par induction électro-magnétique, on choisit une frequence d'induction la plus élevée possible. En effet, plus la fréquence est élevée, plus l'épaisseur de la couche 6 superficielle du substrat 2 dont la structure est modifiée est réduite. Dans une forme préférée de réalisation du procédé selon l'invention, on constitue au moins une boucle 8 d'induction et on fait défiler le substrat recouvert de la couche de ciment au travers de la dite boucle à une vitesse qui est fonction notamment de la fréquence d'oscillation du champ d'induction. Cette Cette vitesse est par exemple de 6.10 2 m/s pour une fréquence de 300 KHz. Pour des formes plus complexes telles une prothèse de hanche, on peut prévoir, au lieu d'une seule boucle d'induction, trois boucles écartées l'une de l'autre dont les diamètres sont choisis en fonction de la section de la prothèse qu'ils ont à chauffer. Le matériau utilisé pour constituer le revêtement est notamment réalisé à partir de polyphosphate de calcium-sodium auquel on a ajouté au moins un corps chimique pour obtenir que le revetement ait un coefficient de dilatation proche de celui du substrat par exemple ce sera de l'anatase. On notera par exemple qu'une formulation préférée du coacervat sera 0,9 Na2O - 2,1 CaO - 3P205 - 6,4 H20 ou alors 0,6 Na20 - 0,7 MgO - 1,7 CaO - 3P205 - 4,8 H20. Avec un tel procédé, on obtient une prothèse revêtue d'un revêtement qui présente une porosité et une liaison chimique suffisante pour l'accrochage de l'os. REVENDICATIONS 1. Procédé de revêtement d'une prothèse comprenant un substrat (2) en alliage de titane recouvert d'un revêtement (3) bio-compatible en céramique phosphatée, selon lequel procédé, par traitement thermique, on fixe sur la surface d'un substrat la couche de matériau bio-compatible, ce procédé étant CARACTERISE en ce que : - avant le traitement thermique qui génère la liaison (4) entre le substrat (2) et le revêtement (3), on constitue sur la surface (5) du substrat, une couche (3) de ciment phosphaté bio-compatible dont la composition est telle que son coefficient de dilatation soit proche de celui du substrat, - cette couche de ciment étant constituée, on soumet le substrat et le revêtement dont il est recouvert à une opération de chauffage par induction électro-magnétique contrôlé qui provoque une é élévation rapide de la température qui est trés rapide et de faible durée de manière à ne provoquer d'élévation de température qu au niveau de la couche 6 superficielle du substrat (2) et juste suffisante pour réaliser une liaison physico-chimique entre le substrat (2) et le revêtement (3) mais qui est trop fugace pour qu'au delà de sa couche superficielle le substrat atteigne une température critique de transformation allotropique du substrat de l'ordre de 900" cel sius. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'avant le dépôt de la couche (3) de ciment phosphaté, on forme à la surface (5) du substrat une pluralité d'aspérités (7) en pointe, de forme apte à augmenter les pertes diélectriques et à contribuer à réduire l'épaisseur du substrat affecté par la modification de structure. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on constitue au moins une boucle d'induction (8) et on fait défiler le substrat recouvert de la couche de ciment au travers de la.dite boucle à une vitesse qui est fonction notamment de la fréquence d'oscillation du champ d'induction. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que, pour le chauffage par induction électro-magnétique, on choisit une fréquence d'induction la plus élevée possible. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour constituer la couche de ciment (3), on applique de manière la plus uniforme possible sur le substrat, une couche de coacervat d'une solution précurseur de céramique phosphatée et on élimine l'eau par préchauffage de l'ensemble prothèse et revêtement à une température de l'ordre de 2000 celsius. 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on effectue le dépôt de la couche de ciment par électro-déposition et pressage à froid. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on effectue le dépôt de ciment par projection thermique. 8. Prothèse en alliage de titane recouverte d'une couche d'un matériau bio-compatible caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon la revendication 1.