Brevet FR2722694A1 — publié le 19960126

La présente invention concerne un nouveau matériau à usage médical ou vétérinaire destiné en particulier, mais non exclusivement, à la réalisation d'implants endo- osseux, notamment dentaires, ou à la réalisation de prothèses osseuses. L'invention concerne également le procédé d'obtention de ce matériau ainsi que ses applications. De nombreux types de matériaux, métalliques ou plastiques, sont utilisés dans le domaine médical ou vétérinaire pour le remplacement de structures biologiques (os en particulier) ou pour la fixation d'organes fonctionnels (implants dentaires ou autres...). Le choix du matériau est réalisé en fonction de ses caractéristiques structurelles intrinsèques et également en fonction de sa biocompatibilité, en terme de tolérance ou, ce qui est mieux, en terme d'acceptation. La présente invention a pour but de proposer un nouveau matériau qui combine de bonnes qualités mécaniques générales et une excellente biocompatibilité en terme d'acceptation, susceptible de permettre une utilisation particulièrement efficace dans les domaines médicaux et vétérinaires. Ce nouveau matériau est constitué d'un polymère thermoplastique biocompatible contenant de l'hydroxyapatite de calcium. Il se présente sous la forme d'une pièce moulée utilisée telle quelle ou bien destinée à être découpée ou usinée selon les contours désirés. L'hydroxyapatite de calcium y est réparti de façon homogène; il peut se présenter sous forme d'hydroxyapatite de calcium (Ca5 (P04)30H) et/ou de dihydroxyapatite de calcium (Calo(PO4)6 H20). Le polymère thermoplastique biocompatible a une fonction de liant; il est choisi en fonction de ses caractéristiques physiques après mise en forme. A titre d'exemple on peut utiliser un polyéther éthercétone, un polyéther cétone, un polysulfone, un polytétrafluoro- éthylène, un polyéther block amides ou un polyimide. Etant donné son haut module de Young et ses caractéristiques structurelles intéressantes qui se rapprochent de celles de l'os, on utilisera de préférence le polyéther éthercétone (PEEK). Le PEEK est un polymère semi-cristallin formée d'une chaine linéaire aromatique basée sur la répétition d'unités suivantes: Les caractéristiques de ce polymère sont développées dans la brochure commerciale éditée en 1992 par la Société ICI MATERIALS: "Victrex PEEK, the high temperature engineering thermoplastic-Properties and processing". La présence d'hydroxyapatite de calcium permet au matériau de se rapprocher de la composition naturelle de l'os afin de renforcer la bio-compatibilité. Toujours dans le même but, ce matériau peut également comporter du phosphate tricalcique (Ca3 (P04)2) et/ou de l'acide orthophosphorique (H3P04). Le phosphate tricalcique est l'un des composés biologiques de base pour la formation d'hydroxyapatite de calcium; il a également une fonction cicatrisante et il est résorbable. L'acide orthophosphorique en nature est prescrit comme fixateur du calcium et comme acidifiant; cette thérapeutique est peu active; toutefois, elle connaît actuellement un certain renouveau par l'emploi de hautes doses de phosphates alcalins et de glycérophosphates dans les affections oû le matébolisme du calcium est perturbé. L'acide orthophosphorique est un constituant fondamental des nucléotides; un nucléotide est formé d'une base purique ou pyrimidique à laquelle est rattachée par un lien glucosidique un sucre combiné à une molécule d'acide phosphorique. Le nucléotide est l'unité de base des acides nucléiques. Les acides nucléiques combinés à une ou à c plusieurs molécules de protéines produisent des nucléoprotéines, qui constituent une partie importante des noyaux des cellules et se retrouvent aussi dans le cytoplasme. Ainsi, le phosphore est un élément fondamental de la matière vivante et de la biochimie. En outre, le matériau selon l'invention peut être "chargé" au moyen d'un ou de plusieurs composés propres à modifier les caractéristiques du thermoplastique. En particulier, on pourra utiliser une ou plusieurs charges de masse molaire élevée, destinée à améliorer la radio- opacité. Cette ou ces charges peuvent être choisies parmi les céramiques genre dioxyde de titane (TiO2), dioxyde de zirconium (ZrO2), ou oxyde d'aluminium (A1203). La fonction annexe désinfectante du dioxyde de titane pourra être un critère de choix important. La présence d'hydroxyapatite de calcium améliore déjà la radio- opacité du thermoplastique; les composés précités seront utilisés pour renforcer cette fonction. Le matériau selon l'invention est mis en forme par moulage, type injection ou extrusion, d'un mélange homogène de constituants. Le matériel et les conditions de moulage sont adaptés à ce mélange et notamment au thermoplastique de base. Le mélange homogène de départ contient de l'hydroxyapatite de calcium et/ou un ou plusieurs composés susceptibles de se transformer en hydroxyapatite de calcium au cours de l'opération de moulage, en liaison avec le malaxage de la vis et les montées en température et pression. Pour conserver un matériau moulable ayant suffisamment de tenue et de résistance, le polymère thermoplastique représentera au moins 65 % en poids du matériau final. D'autre part, pour apporter suffisamment d'éléments chimiques destinés à favoriser l'intégration -" biologique, les composants complémentaires (hydroxyapatite de calcium associé, éventuellement, à du phosphate tricalcique, de l'acide orthophosphorique et/ou au moins un composé destiné à la radio-opacité) représenteront entre 10 et 35 % en poids du matériau final. Un bon compromis, notamment en terme de caractéristiques mécaniques (dureté, résilience, comportement en traction, en flexion et en torsion) x correspondra sensiblement à 80 % de polymère thermoplastique et 20 % de composants complémentaires. Exemples: Des mélanges de base sont réalisés à partir de polyéther éthercétone (PEEK), de dihydroxyapatite de calcium, de phosphate tricalcique (Ca3(P04)2) et de dioxyde de titane (Ti02). Le PEEK se présente sous la forme d'une poudre ou de granulés (taille: environ 100 microns), distribués par la Société THERTEC SA, 78370 PLAISIR-FRANCE; la référence de PEEK utilisée est le "450 G pf" ceci notamment pour sa présentation en terme de granulométrie, afin d'optimiser le mélange avec les autres constituants. Le dihydroxyapatite de calcium utilisé est distribué par la SARL BIOLAND, 31100 TOULOUSE-FRANCE; il se présente sous la forme d'une poudre blanche. Le phosphate tricalcique est disponible sous forme poudreuse (grains de taille voisine de 200 microns); il est par exemple commercialisé par la S.A. Coopération Pharmaceutique Française, 77020 MELUN-FRANCE. L'oxyde de titane est également disponible sous la forme d'une poudre distribuée par la S.A. Coopération Pharmaceutique Française 77020 MELUN-FRANCE. a) Proportions Les composés ci-dessus sont présents dans les proportions suivantes: Mélange 1 (10 % de charges) - PEEK: 90 % en poids - Ca3(P04)2 4 % en poids - TiO2: 4 % en poids - Calo(P4)6H2 0 2 % en poids Mélange 2 (20 % de charges) - PEEK: 80 % en poids - Ca3(P04)2: 9 % en poids - TiO2: 9 % en poids - Ca10(PO 4)6H20: 2 % en poids Mélange 3 (30 % de charges) PEEK: 70 % en poids - Ca3(P04)2: 14 % en poids - TiO2: 14 % en poids CaO: 14 % en poids - Cao10(P04)6H20: 2 % en poids Mélange 4 (35 % de charges) - PEEK: 65 % en poids - Ca3(P04)2: 16,5 % en poids J - TiO2: 16,5 % en poids - CalO(PO4)6H20: 2 % en poids b) Malaxage Les constituants de chaque mélange sont placés dans un mélangeur à turbine jusqu'à obtention d'une parfaite homogénéisation. c) Séchage Chaque mélange homogène obtenu est séché dans une: étuve à circulation d'air pendant 3 heures à 150 C. d) Moulage L'opération de moulage est réalisée sur presse à injecter type KRAUSS-MAFFEI, Modèle 90-340-32, Société KRAUSS MAFFEI FRANCE, 92632 GENNEVILLIERS - FRANCE. Les conditions de préparation du matériel et les conditions de moulage du mélange correspondent à celles utilisées pour le PEEK pur, conformément à la brochure commerciale "ICI MATERIALS" présentée ci-avant. Le PEEK étant un thermoplastique semi-cristallin, il est nécessaire de chauffer le moule à une température au moins supérieure à celle de sa transition vitreuse (140 C). Sinon la qualité de surface des pièces moulées en serait affectée. En effet, le voile de surface serait en phase amorphe et le coeur en phase cristalline; si le moule était trop froid, les pièces pourraient même avoir un caractère totalement amorphe et les caractéristiques mécaniques chuteraient sévèrement. La thermorégulation du moule est assurée par un réchauffeur d'huile permettant de le maintenir à une température de l'ordre de 160 C. Des moyens d'isolation limitent les dispersions thermiques et préservent les organes périphériques de la presse à injecter. Ces moyens peuvent se présenter sous la forme de plaques isolantes formées d'un complexe de fibres de verre. Pour les injections en série, un vibreur sera avantageusement fixé sur la trémie afin de favoriser l'écoulement du mélange. De façon générale, le moulage est réalisé à une température de l'ordre de 340 à 400 C et à une pression d'injection voisine de 70 à 140 MPa. Le moule peut être conformé en fonction de la pièce que l'on désire obtenir, par exemple pour la réalisation d'une prothèse osseuse, notamment pour des applications orthopédiques. On peut également obtenir un bloc de matière i5 que l'on va ensuite découper ou usiner selon la forme désirée, pour un comblement osseux ou un implant, type dentaire par exemple. Selon les applications envisagées, on pourra encore prévoir la réalisation de filaments qui, après tricotage ou tissage, seront utilisés à titre de membrane de gainage, de protection ou de soutien. Résultats a) Tests mécaniques - test de traction Ces tests ont été réalisés sur une machine de traction INSTRON, Modèle 4302, Société INSTRON S.A., 78284 GUYANCOURT - FRANCE. Les éprouvettes utilisées ont une section de 40 mm et une longueur entre mors de 80 mm. On mesure les contraintes en fonction des pourcentages de déformation; les résultats apparaissent sur les courbes des figures 1 a 5 avec la déformation (%) en abcisses et la contrainte (MIPa) en ordonnées. - La figure 1 correspond a un test sur PEEK pur; - La figure 2 correspond au test sur mélange 1; - La figure 3 correspond au test sur mélange 2 - La figure 4 correspond au test sur mélange 3 et la figure au test sur mélange 4. A partir des courbes (ob)tenues, on détermine le module tangent du matériau qui est la pente de la courbe à l' origine. Les résultats apparaissent dans les tableaux ci- dessous o: - E: module tangent - SgM: contrainte maximale - SgR: contrainte à la rupture - SgP: contrainte à la limite de proportionnalité - A: allongement maximal Pcck pur E(lMPa) SgM(NIPa) Sg R(MPa) Sg P(ls)-.-;A(mm) \'1ovcnne 2525 95,7 77,7 38,9 35,09 i 5 Ecart-typle 66 2,6 3,3 2, 35 11.27 NMéllange à 10 % E(Pa) |Sg M(MPa) jSg R(MPa) Sg P(MPa) --A(nr)- Moyennc e 2577 90,6 70,8 36,7 12,16 Ecart- tvpe 126 1,13 1,13 2,4 0,78 Mélange à 20% E(MPa) Sg M(MPa) Sg R(MPa) Sg P(MPa) - A(m) Imoyenne 2967 90 83 35 5,63 Ecart-tvlpe 45 O 6,4 o 0,51 Mélange à 30% E(NlPa) Sg SgR(MPa)'MPa SAQm) NMovennc j3637 76,2 37,5 Ec art-type 47,5 2,8 2, 2,5i Mélange à 35% ú(ElPa) [ Sg M(MPa) | Sg R(Pa): SgP(M.a)A"i'i 1,........... lN1oyennc I36841 75.7 33,3 2,11 Ecart- type 35,31 6,1 2,4 0,1 Le PEEK pur et le mélange à 10 % ont le comportement d'un thermoplastique viscoélastique avec seuil. Le mélange à 20 % a un comportement viscoélastique sans seuil; ceux à 30 % et 35 % ont un comportement fragile. En résumé, plus la charge est importante, plus le composé résiste à la déformation mais plus il est cassant. - test de résilience Les essais de résilience ont été effectués sur Mouton pendule CEAST, modèle 6548, Société ADAMEL LHOMARGY, 94203 IVRY SUR SEINE - FRANCE. La méthode choisie est celle du mouton pendule Charpy. L'objectif est de mesurer la résistance aux chocs en Kj/m'. La résistance aux chocs nous est donnée par la relation: R = E/S avec E = Energie absorbée et S = section de l'éprouvette (40 mm). Après test on obtient les résultats suivants: %de chargc 0 10 20 30 35 E minoy ( 30,8 18,36 3,39 2,34 1,61 écan-typc dc E () 4,8 1, 35 0,47 0,11 0.15 R (kJ/i2) 770 459 84,8 58,45 40,2 avec E moy: énergie absorbée lors du choc R: résistance au choc en kJ/m2 Il apparaît que plus la charge augmente dans le mélange, moins ce dernier résiste aux chocs. Cette diminution est plus progressive de 20 à 35 % de charges, a chute des valeurs étant très forte de 0 à 20 % de charges. - test de flexion La méthode employée est la flexion vibratoire à trois liaisons encastrement avec un balayage de la température, appelée "Dual Cantilever". Ces essais ont été menés sur viscoélasticimètre Rhéométrics, type RSA II, Société RHEOMETRICS FRANCE, 77436 MARNE LA VALLEE - FRANCE. Le but est de déterminer le module de flexion E' en fonction de la température. Le balayage permet entre autre de visualiser la température de transition vitreuse au-dessous de laquelle il est nécessaire de rester lors de l'usinage. Elle est caractérisée par une chute du module de flexion. Le tableau suivant présente pour une température donnée la valeur du module de flexion E' pour une certaine charge du mélange. ri % de charge température (OC) E'(MPa) _4 0 31,79 3300 10 29,48 2781,1 31,3 3117,8 30,68 3865,2 31,31 3717,1 On remarque une chute de la valeur du module pour le mélange à 10 %, puis une progression constante pour les charges suivantes avant une légère dégradation pour le 35 %. - test de torsion On utilise une machine de traction INSTRON (modèle ? 4302, INSTRON S.A., 78284 GUYANCOURT - FRANCE) ainsi qu'un dispositif mécanique qui transforme le mouvement de traction en rotation. Ce dernier est adapté à l'aide d'un montage de précision en mécano-soudé. On ramène ensuite les valeurs de la force et du déplacement à des valeurs de couple et d'angle. Le but est de déterminer le module de cisaillement G, appelé communément le module de COULOMB. Les tests sont menés sur des éprouvettes cylindriques de diamètre 8 mm et de longueur 40 mm. Dans les tableaux de résultats ci-dessous: G: module de Coulomb Cmax: le couple maximal Cadm: le couple maximum admissible : limite angulaire/longueur Peek pur G(.a) CAA inax(N C adm -ee1190,5 8,13 3,17 2,25 ccaI-lge:-- 48,1 0,13 0,23 0,1 1 5 Mélange à 10% |G(MPa)- C max(N. m): C:adm:m)---. moyciile: 1185 7,18 3,08 2,34-- :cart4ype- 57 0,02 0,12 0,14 Mélange à 20% G(MPa) C max(N.m) CadmN}m).-: lmoycnne ' 1475 7,52 3,33 2,57 2 5 cart-type. 34,4 0,02 0,12 0,01 Mélange à 30% G(MPa) CmaxN.mn).Cadm0N,m);!:.::!, moyenne 1763 8,75 2,83 1,9 cart-type 58 0,35 0,31 0,3 Mélange à 35% |G(iMPa) Cmax(N.m)- -C adm(N. m- - nIoyemc e 1738 5,26 2,28 0,625 cart-type 197,6 1,13 0,33 0,26 On observe que plus la charge est importante, plus l'échantillon est résistant face aux contraintes de torsion. Cependant, le module de cisaillement à 10 % n'est pas plus élevé que celui du PEEK pur, voire légèrement plus faible; d'autre part, le mélange à 35 % est moins résistant que celui à 30 %. - test de dureté On utilise la méthode de dureté BRINELL (mesure de l'empreinte laissée par l'enfoncement d'une bille d'acier). Le test est effectué sur Duromètre ISSER STEDT, modèle Dia testor 2 RC, Société CONTROLAB, 93400 ST OUEN - FRANCE. Les mesures sont réalisées avec deux pressions normalisées différentes (15,625 et 31,25 Kp). Les dispersions sont très faibles. Les résultats sont indiqués dans le tableau ci- dessous: % de charge 0 10 20 30 35 dureté brineil 26,4 20,3 25,8 30,9 33,3 écart- type 0,24 0,54 1,1 0,79 0,44 On observe que plus la charge augmente, plus le matériau est dur, à l'exception du mélange à 10 % qui se révèle plus tendre que le PEEK pur. Ces différents résultats montrent que le mélange à 20 % apparaît comme un bon compromis mécanique; il offre des caractéristiques voisines de celles du PEEK pur et une résilience raisonnable. Il est à la fois dur et ductile. b) validation expérimentale Le matériau moulé obtenu selon l'exemple ciavant a été usiné pour réaliser un implant dentaire avec filetage et forêt d'extrémité, destiné à être vissé dans la mâchoire. cet implant a été posé au moyen d'un tournevis 12 moleté. A l'aide d'un bras de levier muni de jauges, le couple de vissage a été porté à 1,2 Nm (alors que le couple de vissage maximal exercé par un praticien sur le tournevis est estimé à 0,6 Nm).5 Après retrait, l'observation de ces implants montre que les arêtes du forêt d'extrémité ne présentent ni cassure ni usure flagrante. De plus, aucune déformation angulaire due au vissage n'a été constatée. - REVENDICATIONS - 1.- Matériau à usage médical ou vétérinaire, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un polymère thermoplastique biocompatible contenant de l'hydroxyapatite de calcium. 2.- Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polymère thermoplastique consiste en du polyéther éthercétone (PEEK). 3.- Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une charge destinée à améliorer sa radio-opacité. 4.- Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composé pour améliorer la radio-opacité est choisi parmi le dioxyde de titane (TiO2), le dioxyde de zirconium (ZrO2)et l'oxyde d'aluminium (A1203). 5.- Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte du phosphate tricalcique (Ca3 (P04)2). 6.- Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte de l'acide orthophosphorique (H3P04). 7.- Matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte: - 65 à 90 % en poids de polymère thermoplastique, - 10 à 35 % en poids de composants complémentaires en forme d'hydroxyapatite de calcium associé, éventuellement, à du phosphate tricalcique, de l'acide orthophosphorique et/ou au moins un composé destiné à améliorer la radio- opacité. 8.- Matériau selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte: - 80 % en poids environ de polymère thermoplastique, - 20 % en poids environ de composants complémentaires. 9.- Procédé d'obtention du matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste: a) à mélanger de façon homogène la matière thermoplastique au moins avec de l'hydroxyapatite de calcium, b) à faire subir au mélange obtenu une opération de moulage, type injection ou extrusion, dans des conditions de température et de pression adaptées aux produits de départ et/ou au matériau final moulé désiré. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à remplacer l'hydroxyapatite de calcium, dans l'opération a), par un ou plusieurs composés susceptibles de se transformer en hydroxyapatite de calcium au cours de l'opération b), 11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'il consiste à faire subir une opération de moulage, type injection ou extrusion à un mélange homogène constitué de: - phosphate tricalcique (Ca3 (P04)2), charge radio-opaque, - dihydroxyapatite de calcium, - polyéther éthercétone (PEEK). 12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le mélange homogène de base est constitué de: - Ca3 (P04)2: 9 % en poids - TiO2: 9 % en poids - dihydroxyapatite de calcium: 2 % en poids - PEEK: 80 % en poids. 13.- Application du matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour la réalisation d'implants endo-osseux, notamment dentaires. 14.- Application du matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour la réalisation de prothèses osseuses.