Brevet FR2731909A1 — publié le 19960927

La présente invention concerne un nouveau matériau prothétique biocompatible, les prothèses ou systèmes prothétiques constitués par ledit matériau et leur procédé de préparation par double implantation ionique de calcium et de phosphore. Les prothèses ou systèmes prothétiques employés en chirurgie doivent répondre à une double contrainte, d'une part mécanique et d'autre part biologique. En effet, les prothèses remplaçant des parties du squelette, clles s') substituent en cherchant à imiter aux mieux les propriétés mécaniques desditcs parties remplacées, en particulier leur résistance mécanique. Les matériaux généralement employés pour des prothèses ou systèmes prothétiques sont donc de préférence des métaux ou alliages métalliques, en particulier constitués par du titane et ses alliages. Toutefois, ces matériaux doivent également être biocompatibles, afin d'éviter les phénomènes de rejet, d'irritation qui altérerait le lien entre la prothèse et le tissu osseux dans lequel elle est implantée. Mieux, on cherchera à favoriser l'implantation des prothèse par des matériaux qui tavoriscnl leur ancrage dans l'os auquel elles vont s'intégrcr. Diverses solutions ont été proposées dans l'étant dc la technique, dans Icsquelles on formera à la surface du matériau prothétique, une couche destinée à assurer l'ancrage de la prothèse dans le tissu osseux. Il s'agit cn général de couchcs phospho-calciques obtenues à partir d'hydroxyapatite, déposées à la surface du matériau prothétique par calcination et/ou au moyen d'unc torche à plasma (EP-A-O 130 916, EP-A-O 264 354, EP-A-O 237 053, EP-A-O 264353, EP-A-0 310574, FR A-2 601 699 ou FR-A-2 688 139). Les prothèses ainsi obtenues sont donc constituées par un élément dc prothèse métallique, ou en alliage métallique, assurant la résistance mécanique, recouvert, totalement ou en partie, par une couche d'un matériau phospho-calcique assurant la biocompatibilité, y compris l'ancrage, de la prothèse dans le tissu osseux. Toutefois, dans la mesure ou ces prothèses sont constituées de deux matériaux distincts, il est nécessaire que la couche phosphocalcique, outre sa biocompatibilité, assure une bonne cohésion avec l'élément métallique, faute de quoi ce dernier ne pourraît assurer convenablement sa fonction de résistance mécanique. De la solidité de cette cohésion, c'est-à-dire sa résistance au décollement, dépendra l'efficacité et la longévité de la prothèse implantée. La présente invention concerne donc un nouveau matériau prothétique amélioré, lequel ne nécessite pas d'être recouvert par une couche biocompatibilîsante, et ne présente pas en conséquence de problèmes de décollement de ladite couche. Le matériau prothétique selon l'invention donc constitué par un matériau prothétique usuel, dont la surface a été traitée par une double implantation ionique de calcium et de phosphore, en quantités et en proportions suffisantes pour assurer sa biocompatibilté. La technique de traitement de surface de matériaux par implantation ionique est connue depuis 1954, date à laquelle elle a été proposée pour doper les semi-conducteurs. Le principe de cette technique consiste à accélérer des ions positifs vers une cible portée à un potentiel négatif. Les ions ayant acquis une énergie cinétique suffisante, vont heurter et pénétrer la cible, c'est-à-dire s'intégrer au réseau atomique de la surface de cette dernière. L'utilisation de l'implantation d'azote a été décnte pour le traitement de la surface de prothèses médicales (I. TOUSSET, L'implantation ionique, Traiteine,it Tltenrnque, 231, 1989, 11-16). Il s'agit d'implanter dc l'azote, des gaz rares, du titane, du carbone, du silicium, du tantale ou encore du bore, à la surface des prothèses pour en améliorer la résistance à l'usure, à la corrosion, aux frottements. L'implantation d'azote à la surface de prothèses de hanches constituées d'un alliage de titane, permet ainsi d'améliorer leur résistance à l'usure corrosive, mais n'a pas d'incidence sur leur biocompatibilité, les solutions usuelles de l'état de la technique, reportées plus haut, étant nécessaircs. Par quantités suffisantes pour assurer la biocompatibilté, on entend une teneur en calcium et en phosphore à la surface du matériau selon l'invention suffisante pour assurer un bon ancrage dans la prothèse, sans que les propriétés physiques du matériau prothétique usuel ne soient pour autant altérées. On a remarqué que les ions calcium, de par leur taille, étaient les plus difficiles à implanter à la surface des matériaux usuels. On cherchera donc de préférence à saturer la surface du matériau en calcium. On ajustera ensuite la teneur en phosphore de manière à obtenir un rapport Ca/P approprié pour assurer la biocompatibilité du matériau prothétique selon l'invention. De manière avantageuse, le rapport atomique Ca/P est compris entre 5/5 et 5/2, de préférence voisin de 5/3. Le rapport Ca/P de 5/3 est celui que l'on retrouve dans le tissus osseux, et l'hydroxyapatite utilisée dans l'état de la technique, et on cherchera de préférence à implanter 5 ions calcium pour 3 ions phosphore. Toutefois, la souplesse de la technique employée et son efficacité, permettra d'ajuster au mieux ce rapport Ca/P, en fonction du type de prothèse et du tissu osseux dans lequel elle sera implantée. Par matériau prothétique usuel, on entend tout matériau servant à la préparation de prothèses osseuses et/ou dentaires, telles que des prothèses, orthopédiques, articulaires ou des implants dentaires. Il s'agit notamment de céramiques et de matériaux métalliques tels que le titane et ses alliages, les alliages chrome-cobalt ou encore l'acier inoxydable. compte tenu de leur mode de préparation par implantation ionique, les matériaux employés peuvent être électriquement conducteurs où non. Le matériau actuellement le plus employé pour la réalisation de prothèses orthopédiques est un alliage de titane, appelé TA6V. On a remarqué que le taux d'implantation maximum d'ions calcium à la surface d'un alliage de titane est d'environ 20% en surface. Bien entendu, la valeur de ce taux d'implantation ionique (de saturation) en calcium dépendra de la nature du matériau traité. Il sera généralement compris entre 20 et 25%. L'homme du métier saura toutefois adapter cette tencur en fonction du type de prothèse, du matériau usuel et dc son implantation, ct si nécessaire ne pas chercher uniquement à obtenir une saturation en calcium mais toute teneur comprise entre la quantité minimum nécessaire à assurer la biocompatibilité du matériau et sa teneur maxium limitée par le type de matériau employé. La présente invention concerne également les prothèses ou systèmes prothétiques constitués totalement ou en partie par le matEnau biocompatible selon l'invention. Ainsi, pour un système prothétique constitué dc plusieurs éléments, comme par exemple un système d'implantation dentaire, seule la partie au contact du tissu osseux dans lequel le système sera implanté, sera constitué en matériau biocompatible selon l'invention. Les prothèses ou systèmes prothétiques dont la totalité de la surface sera au contact du tissu osseux sont constitués, entièrement par Ic matériau biocompatible selon l'invention. La présente invention concerne également un procédé de préparation du matériau prothétique selon l'invention par implantation ionique, dans lequel on effectue d'abord l'implantation du calcium de manière à obtenir la teneur en calcium souhaitée, puis on effectue l'implantation du phosphore en ajustant le rapport atomique Ca/P recherché. I'implantation sera faite dans un dispositif approprié pour implantation ionique, avec une énergie de préférence de 300 keV. Pour la réalisation des prothèses et/ou systèmes prothétiques selon l'invention, on effectuera d'abord une mise en forme du matériau prothétique usuel à traiter, puis on effectuera une double implantation ionique telle que définie ci-dessus, et le cas échéant on assemblera le matériau ainsi obtenu avec d'autres éléments de prothèses ou de système prothétique. De tels éléments additionnels peuvent être par exemple des éléments de prothèse dentaire coopérant avec le matériau implanté dans l'os, ou encore un dispositif facilitant le frottement de divers éléments dans un système de prothèse articulaire. D'autres caracténstiques du matériau et du procédé selon l'invention apparaîtront à la lumière des exemples ci-après. 1. IMPLANTATION IONIOUE SUR UN MATÉRIAU EN ALLIAGE TA6V. Une pièce de dimensions ( ... }en alliage dc titane TA6V a été implantée en surface, d'abord en calcium, puis en phosphore, en accélérant les ions correspondant grace à une énergie de 300 KeV. Cette implantation se fait de façon à ce que le rapport Ca/P soit égal à 1,667 (5 ions de Ca pour 3 ions de P), sur 25 Gc dc la surface totale de la pièce en alliage. 2. ETUDE DE BIOCOMPATIBILITÉ Matériels et méthodes Les disques d'alliages implantés obtenus ci-dessus ont été mis dans des boites de culture NUNC 4 puits de diamètre 2 cm dans une salle de type P2. Le témoin sera le polystyrène (PS) du fond des puits de culture. Ce témoin permet une prolifération optimum des ostéoblastes. Les boites ont été ensuite ensemencées avec des ostéoblastes humains. Les cellules suspendues dans du milieu IMDM (Iscoves Modified Dubbelco Medium) supplémenté à 20% de SVF (Sérum de Veau Foetal) et 100U/ml de streptomycine et de pénicilline ainsi que 100 mg/ml de fungizone ont été ensemencées à 3000 cellules / cm2 de matériau. Les boites ont ensuite été incubées en atmosphère humide à 5% de CO2. Le milieu de culture a été changé tous les deux jours jusqu'à confluence. Décollées avec un mélange Trypsine I EDTA (0,01% de Trypsine et 0,02% EDTA), les cellules une fois re-suspendues ont été comptées dans une cellule de Malassez. - changement de milieu: Le milieu introduit le premier jour permet de donner aux cellules les éléments nitritifs nécessaires à leur croissance et à leur prolifération. Ainsi, elles utilisent ces éléments qui disparaissent alors de la soultion. Ce milieu est donc changé tous les deux jours. Le changement de milieu doit se faire en atmosphère stérile, le protocole expérimental a été le suivant: l'ancien milieu a été aspiré, le nouveau milieu complet a été introduit à raison de 500 ttl par puits. - Comptage cellulaire: L'évolution de la prolifération est suivie sur les dilïérents matériaux. Pour cela, les ostéoblastes présents sur chaque type d'échantillon sont comptés. Ici le comptage a été fait sur trois échantillons différents. Le protocole expénmental a été le suivant: aspiration du milieu, rinçage trois fois dix minutes au PBS (Phosphatc Bullered Saline), décollement du tapis cellulaire par 300 ttl d'un mélange trypsine-EDTA, le mélange est mis à incubcr avec les cellules à 37 C pendant 3 minutes. Le rôle de ce mélange est de digércr la matricc. 200 FI de milieu complet ont été ajoutés pour compléter à 500 ILI. après avoir été homogénéisée, une pctitc quantité dc la solution a été aspirée avec une pipette Pasteur et a été mise dans une ccllulc dc Mafassez. Résultats Cette expérience a permis de tester la cytexompatbilité du TA6V ayant subi une double implantation de calcium et de phosphore (I). Ccci a été fait avec des ostéoblastes. Un premier témoin négatif TA6V non implanté (T) a été utilisé ainsi que Ic témoin négatif habituel, à savoir le polystwère (PS) du fond des puits de culture. L'ensemencement s'est fait à 3000 cellules / cm2. La prolifération d'ostéoblastes sur du TA6V implanté (1) et sur les témoins (T et PS) est illustrée sur la figure 1 en annexe. Un retard de prolifération des cellules a été observé pour le témoin TA6V sans traitement (T) par rapport à l'échantillon TA6V implanté (I). Par contre, sur le TA6V implanté (I) la prolifération celllulaire a été identique à celle du témoin polystyrène (PS) (surface de référence pour les cellules) à toutes les étapes du comptage (pas de différence statistiquement significative p Ainsi, malgré le fait que seulement 25etc de la surface totale de l'alliage TA6V soit implantée en calcium et en phosphore, on obtient une prolifération identique à celle du polystyrène, témoin négatif habituel du fond des puits de culture. REVENDICATIONS 1. Matériau prothétique biocompabile, caractérisé en ce qu'il est constitué par un matériau prothétique usuel, dont la surface a été traitée par une double implantation ionique de calcium et de phosphore, en quantités et en proportions suffisantes pour assurer sa biocompatibilité. 2. Matériau prothétique selon la revendication l, caractérisé en ce que la surface du matériau prothétique usuel est saturée en calcium. 3. Matériau prothétique selon la revendication 2 caractérisé en ce que le taux de calcium à la surface du matériau prothétique usuel est compris entre 20 et 25 5ta en surface. 4. Matériau prothétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport atomique Ca/P est compris entre 5/5 et 5/2, de préférence voisin de 5/3. 5. Matériau prothétique selon l'une des rex endications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau prothétique usuel est choisi parmi les céramiques, les métaux et les alliages métalliques, de préférence le titane et ses alliages. 6. Prothèses ou systèmes prothétiques caractérisées en ce qu'ils sont constitués, totalement ou en partie par le matériau prothétique selon l'une des oevendications 1 à 5. 7. Procédé de préparation du matériau prothétique selon l'une des rcvcndications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on clícctuc d'abord l'implantation du calcium de manière à obtenir la teneur en calcium souhaitée, puis on effectue l'implantation du phosphore en ajustant le rapport atomique Ca/P recherché. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'on effectue l'implantation ionique dans un dispositif approprié, a"ec une énergie dc 300 KeV. 9. Procédé de préparation d'une prothèse ou d'un système prothétique selon la revendication 6, caracténsé en ce que l'on elïectue d'abord une double implantation ionique telle que définie dans l'une des rcxendicalions 7 ou 8, et le cas échéant on assemble le matériau ainsi obtenu avec d'autres éléments dc prothèse ou de système prothétique.