Brevet FR2749756A1 — publié le 19971219

PROCEDE DE PREPARATION D'UN MATERIAU COMPOSITE IMPLANTABLE, MATERIAU OBTENU, IMPLANT COMPRENANT CE MATERIAU ET KIT DE MISE EN OEUVRE L'invention concerne un procédé de préparation d'un matériau composite solide destiné à être implanté dans un milieu biologique humain ou animal, notamment à titre de substitut osseux ou dentaire ; un matériau ainsi obtenu ; un implant comprenant un tel matériau et un kit de mise en oeuvre extemporanée de ce procede. Dans tout le texte de la présente demande, le terme "implant" désigne tout dispositif, appareil, mécanisme, pièce ou ensemble de pièces, d'origine naturelle ou artificielle, organique ou inorganique, à l'étant solide, biocompatible et implantable dans le corps humain ou animal, à l'exclusion des compositions fluides, pâteuses ou divisées. A titre d'exemples d'implants, on peut citer les prothèses osseuses, dentaires ou maxillofaciales, les inserts de comblement, d'obturation ou d'interface,... L'utilisation de céramiques poreuses à pores interconnectés à titre de matériau solide implantable pour substitut osseux a déjà été décrite (voir par exemple EP-A-0 360 244 et "Osseointegration of macroporous calcium phosphate ceramics having a different chemical composition" Frayssinet et al., Biomaterials 1993, Vol. 14, n06, p 423 429). En raison même de leur macroporosité, les matrices solides poreuses biocompatibles implantables telles que les céramiques, et plus particulièrement les matrices à pores interconnectés, présentent l'avantage d'augmenter la surface d'échange avec le milieu biologique, d'être biorésorbables, de faciliter la revascularisation des tissus et de posséder d'excellentes propriétés ostéoconductrices. En outre, on peut déposer par précipitation des agents de croissance dans les pores. Néanmoins, ces céramiques poreuses sont par nature fragiles et friables et ne peuvent pas aisément être mises en forme par le praticien lors de l'opération. En outre, il n'est pas non plus possible de fixer des vis ou chevilles dans ces céramiques. De ce fait, l'utilisation pratique de ces céramiques est aujourd'hui limitée aux rares cas où il est certain, à l'avance, que le matériau n'aura pas à être retaillé et ajusté extemporanément, ni à supporter des vis de fixation. En outre, les céramiques poreuses présentent une faible résistance mécanique (2 à 4 MPa en compression), insuffisante dans de nombreuses applications, par exemple lorsqu'une remise en charge du site d'implantation avant cicatrisation est nécessaire. Par ailleurs, on connaît (par exemple EP-A0 639 366) des ciments hydrauliques phosphocalciques biocompatibles implantables, c'est-à-dire des compositions fluides ou pâteuses durcissables, permettant de réaliser des montages prothétiques ou des comblements lors d'opérations chirurgicales orthopédiques. Ces ciments sont facilement malléables par le praticien, mais ne peuvent pas etre utilisés pour réaliser des implants solides tels que des prothèses osseuses dont la forme générale doit être prédéfinie, qui doivent résister des l'implantation â de fortes contraintes et/ou dans lesquels on doit visser des vis pour la fixation d'autres éléments ou organes. Ainsi, ces ciments ne sont utilisés que pour coller des implants ou organes entre eux, ou parfois comme matériau de comblement dans les sites non exposés à de fortes contraintes. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un matériau composite et son procédé de préparation, qui est destiné à être implanté dans un milieu biologique (corps humain ou animal), qui présente les avantages des céramiques poreuses à pores interconnectés (résorption rapide et complète, ostéoconduction...), mais qui présente des propriétés mécaniques améliorées. L'invention vise en particulier à proposer un matériau composite implantable apte à être utilisé dans la composition d'un implant, et qui peut être facilement mis en forme, taillé, coupé, fraisé..., notamment par le praticien lors de la pose de l'implant. L'invention vise aussi à proposer un tel matériau apte à subir des contraintes dès l'implantation. L'invention vise aussi à proposer un tel matériau dans lequel on peut insérer et fixer des chevilles ou des vis telles que des vis auto-foreuses et qui procure un bon maintien de ces vis. L'invention vise aussi à proposer un matériau composite implantable résorbable par un milieu biologique, et dont la résistance en compression est équivalente à celle de l'os naturel, notamment supérieure à 10 MPa, plus particulièrement de l'ordre de 20 MPa. L'invention vise aussi à proposer un tel matériau composite dont la cinétique de résorption dans le milieu biologique peut être connue et ajustée avant l'implantation. L'invention vise aussi à proposer un procédé de préparation d'un tel matériau composite. L'invention vise également à proposer un implant prothétique osseux comprenant un matériau présentant les avantages sus-mentionnés. L'invention vise également à proposer un procédé de fabrication de cet implant. L'invention vise plus particulièrement à proposer un procédé de préparation d'un matériau composite et un procédé de fabrication d'implants, notamment de substituts osseux ou dentaires, particulièrement simples, rapides et qui peuvent être mis en oeuvre au moins partiellement par le praticien peu de temps avant l'opération, voire même pendant l'opération. Pour ce faire, l'invention concerne un procédé de préparation d'un matériau composite destiné à être implanté dans un milieu biologique humain ou animal, caractérisé en ce que on choisit ou on prépare préalablement au moins un bloc d'une matrice solide poreuse biocompatible comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, on prépare, indépendamment de la matrice solide, une solution liquide durcissable adaptée pour former, après durcissement, une composition solide biocompatible durcie d'un ciment hydraulique comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, et qui est adaptée pour être entièrement résorbable par le milieu dans lequel l'implant doit être implanté, on plonge le bloc de matrice dans la solution liquide, avant son durcissement, pendant une durée adaptée pour que celle-ci imprégne et remplisse le volume poreux du bloc de matrice à coeur, on fait ensuite sécher et durcir la solution liquide en composition solide. Avantageusement et selon l'invention, on met ensuite en forme chaque bloc de matériau composite ainsi obtenu. Avantageusement et selon l'invention, on choisit ou on prépare au moins un bloc entièrement poreux notamment macroporeux-- et de préférence de porosité au moins sensiblement homogène dans tout le volume du bloc. L'invention concerne aussi un matériau composite obtenu par un procédé selon l'invention. Ainsi, l'invention concerne un matériau composite destiné à être implanté dans un milieu biologique humain ou animal caractérisé en ce qu'il comprend a) une matrice solide poreuse biocompatible ayant une composition chimique comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, b) une composition solide, compacte, non divisée, biocompatible d'un ciment hydraulique durci comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, cette composition solide remplissant le volume poreux de la matrice et étant adaptée pour être entièrement résorbable dans ledit milieu. Avantageusement et selon l'invention, la composition solide est choisie pour présenter elle-même une résistance à la compression supérieure à 10 MPa, notamment comprise entre 20 MPa et 50 MPa. Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, la composition solide est choisie pour présenter un modèle d'Young compris entre 700 MPa et 1000 MPa. Plus particulièrement et selon l'invention, la composition solide comprend majoritairement du phosphate dicalcique dihydraté CaHPO4, 2H2O (DCPD). En outre, avantageusement et selon l'invention, la composition solide est du type obtenu par mélange d'une poudre de phosphate tricalcique ss dans une solution d'acide orthophosphorique que l'on laisse durcir à température ambiante. Avantageusement et selon l'invention, la matrice est également adaptée pour être entièrement résorbable dans ledit milieu, et la composition solide est adaptée pour présenter une cinétique de résorption dans ledit milieu plus rapide que celle de la matrice ; et la composition solide est adaptée pour être résorbable dans ledit milieu en une durée inférieure à trois mois, notamment dè l'ordre de quelques semaines. Avantageusement et selon l'invention, la matrice est une matrice minérale entièrement poreuse, notamment une céramique macroporeuse (c'est--dire dont la porosité est supérieure à sa porosité théorique et dont les pores ont une dimension moyenne comprise entre 50 um et 2000 um), de préférence à pores interconnectés. La dimension moyenne des pores est avantageusement comprise entre 200 um et 500 um. Avantageusement et selon l'invention, la matrice présente une porosité au moins sensiblement homogène dans tout son volume, qui peut être comprise entre 5 % et 85 %, notamment entre 50 % et 85 %. Avantageusement et selon l'invention, la matrice est choisie pour présenter une résistance à la compression comprise entre 1 MPa et 6 MPa, et un module d'Young compris entre 10 MPa et 200 MPa. Ainsi, avantageusement et selon l'invention, la matrice comprend une proportion X en poids d'hydroxyapatite (HAP) Ca10 (Po4)6 (OH)2, et une proportion Y en poids de phosphate tricalcique Ca3 (PO4)2. Avantageusement et selon l'invention, le matériau est caractérisé en ce que X + Y = 100 %. Par exemple et selon l'invention, X est de l'ordre de 75 % et Y de l'ordre de 25 %. Avantageusement et selon l'invention, la matrice et/ou la composition solide (ciment) incorpore(nt) au moins un agent bioactif. Grâce à l'invention, la cinétique de libération in situ d'un tel agent bioactif peut être contrôlée aisément puisqu'elle correspond au moins sensiblement à la cinétique de résorption de la matrice et/ou de la composition solide. Selon l'invention, on peut donc incorporer dans la matrice un agent bioactif dont la cinétique de libération doit être lente, par exemple prolongée sur plusieurs mois, et dans le ciment un agent bioactif dont la cinétique de libération doit être rapide, par exemple limitée à quelques semaines. L'invention concerne également un implant, et plus particulièrement un substitut osseux ou dentaire solide, qui est caractérisé en ce qu'il comprend un matériau selon l'invention. Avantageusement, un implant selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une portion constituée d'un matériau selon l'invention destinée à être placée au contact d'un milieu biologique humain ou animal, notamment d'un tissu osseux. L'invention concerne aussi un kit de mise en oeuvre extemporanée d'un procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bloc d'une matrice solide poreux biocompatible et une dose de chacun des constituants nécessaires pour obtenir ladite solution liquide formant, après durcissement, la composition solide biocompatible. Le kit selon l'invention comprend par exemple un bloc de céramique macroporeuse phosphocalcique, une dose de poudre de phosphate tricalcique ss avec 2,5 % de pyrophosphate de sodium anhydre et une dose de solution d'acide orthophosphorique de concentration comprise entre 1 et 5 mol/l, notamment entre 3,5 et 4,5 mol/l. Le rapport de la masse (en g) de poudre sur le volume (en ml) de la dose d'acide est compris entre 0,5 et 5, notamment entre 1 et 2. L'invention concerne aussi un matériau, un implant, un procédé, et un kit, comprenant en combinaison tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. La description qui suit présente des exemples de préparation d'un matériau et d'un implant conformes à l'invention. EXEMPLE 1 1) On prépare dans un mélangeur de 15 1, une barbotine comprenant 1625 g d'hydroxyapatite en poudre et 875 g de phosphate tricalcique ss en poudre, 45 g de polyélectrolite synthétique sans alcalis (dispersant liquide), 30 g de polyoxyde d'éthylène en poudre (liant organique), et 1165 ml d'eau. On plonge des cylindres de 10 mm de diamètre et 10 mm de hauteur d'une mousse de polyuréthanne dans cette barbotine et on imprègne chaque cylindre de mousse à coeur par malaxage jusqu'à obtenir un taux d'imprégnation (rapport de la masse de barbotine sur la masse de mousse) de 25. On place la mousse imprégnée dans un four à une température de 1150 OC pendant 15 min. Après refroidissement du four, on obtient une céramique macroporeuse, les composants organiques s'étant évaporés. Cette céramique présente une porosité de 75 %. Il est connu que cette céramique est entièrement résorbable en milieu biologique au bout d'environ 18 mois. La résistance à la compression de la céramique est mesurée en soumettant un cylindre de 10 mm de diamètre et 10 mm de hauteur à un essai de compression. La résistance à la compression est de 1 MPa et le module d'Young est de 20 MPa. 2) On prépare une poudre de phosphate tricalcique ss (TCP) par réaction à 1150 OC pendant 180 min d'hydroxyapatite et de phosphate dicalcique dihydraté. On mélange 2,954 g de TCP avec 0,046 g de pyrophosphate de sodium anhydre en poudre. On verse ces 3 g de poudre dans 2,3 ml de solution aqueuse d'acide orthophosphorique 4 M et d'acide sulfurique 0,1 M. Après 30 s à 1 min de réaction, on obtient un mélange homogène de solution liquide durcissable. 3) On immerge 4 cylindres de la céramique macroporeuse préparée en 1) dans cette solution liquide durcissable pendant une durée de l'ordre de 20 s, jusqu'à ce que toutes les bulles d'air soient évacuées des pores. 4) On retire les cylindres imprégnés de la solution et on les laisse sécher à l'air libre. On constate un durcissement de la solution au bout d'environ 5 min en une composition solide, compacte, non divisée remplissant le volume poreux de la céramique. Après cinq jours (évaporation de l'eau), on réalise des essais de compression. La résistance en compression obtenue est de 15 MPa et le module d'Young est de 400 MPa. 5) On constate que les cylindres peuvent être coupés à la scie en laissant un état de surface parfait. On réalise un avant-trou par perçage dans un cylindre et on introduit une vis d'ostéosynthèse dans cet avant-trou à l'aide d'un tourne-vis. On constate que le matériau conserve sa cohésion et n'est pas détérioré, notamment autour de la vis qui est parfaitement maintenue en place. 6) On utilise la solution durcissable obtenue en 2) pour préparer des cylindres de 5 mm de diamètre et 10 mm de hauteur que l'on implante dans les condyles d'une série de 12 lapins. Les lapins ont été sacrifiés à 15 jours, 6 semaines, 10 semaines et 16 semaines après implantation et les sites d'implantation ont été examinés histologiquement. Il a été constaté que dans les deux premières semaines, une apposition de trabécules osseux se fait à la surface de l'implant. Des grains de matériaux sont retrouvés dans le tissu stomal présent entre les trabécules ainsi que dans les trabécules néoformés. A six et neuf semaines, les cylindres sont fragmentés et des trabécules osseux ont pénétré dans tout le volume des cylindres entourant les fragments. Ces fragments sont en contact du tissu osseux néoformé sans aucune interposition fibreuse. De très nombreux fragments sont en voie d'être totalement intégrés dans le tissu osseux. A treize semaines, le phénomène de fragmentation est accentué ainsi que celui d'intégration osseuse. Plus de la moitié du volume de l'implant a disparu à cette date. En conclusion, la composition solide imprégnant des pores est entièrement résorbable dans un milieu biologique et présente une cinétique de résorption plus rapide que la matrice. EXEMPLE 2 1) On prépare dans un mélangeur de 15 1, une barbotine comprenant 1625 g d'hydroxyapatite en poudre et 875 g de phosphate tricalcique ss en poudre, 45 g de polyélectrique synthétique sans alcalis (dispersant liquide), 30 g de polyoxyde d'éthylène en poudre (liant organique), et 1165 ml d'eau. On plonge des cylindres de 10 mm de diamètre et 10 mm de hauteur d'une mousse de polyuréthanne dans cette barbotine et on imprègne chaque cylindre de mousse à coeur par malaxage jusqu'à obtenir un taux d'imprégnation (rapport de la masse de barbotine sur la masse de mousse) de 30. On place la mousse imprégnée dans un four à une température de 1150 OC pendant 15 min. Après refroidissement du four, on obtient une céramique macroporeuse, les composants organiques s'étant évaporés. Cette céramique présente une porosité de 68 %. La résistance à la compression de la céramique est mesurée en soumettant un cylindre de 10 mm de diamètre et 10 mm de hauteur à un essai de compression. La résistance à la compression est de 3 MPa et le module d'Young est de 80 MPa. On prépare suivant les étapes 2) 3), et 4) de l'exemple 1, le matériau composite selon l'invention. Les mêmes essais et constatations que celles mentionnées en 4) et 5) dans l'exemple 1 sont faits, avec les mêmes résultats, avec le matériau composite obtenu dans cet exemple 2. Après cinq jours (évaporation de l'eau), on réalise des essais de compression. La résistance en compression obtenue est de 20 MPa et le module d'Young est de 500 MPa. REVENDICATIONS 1/ - Procédé de préparation d'un matériau composite destiné à être implanté dans un milieu biologique humain ou animal, caractérisé en ce que on choisit ou on prépare préalablement au moins un bloc d'une matrice solide poreuse biocompatible comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, on prépare, indépendamment de la matrice solide, une solution liquide durcissable adaptée pour former, après durcissement, une composition solide biocompatible durcie d'un ciment hydraulique comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, et qui est adaptée pour être entièrement résorbable par le milieu dans lequel l'implant doit être implanté, on plonge le bloc de matrice dans la solution liquide, avant son durcissement, pendant une durée adaptée pour que celle-ci imprégne et remplisse le volume poreux du bloc de matrice à coeur, on fait ensuite sécher et durcir la solution liquide en composition solide. 2/ - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met ensuite en forme chaque bloc de matériau composite ainsi obtenu. 3/ - Matériau composite destiné à être implanté dans un milieu biologique humain ou animal, susceptible d'être obtenu par un procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend a) une matrice solide poreuse biocompatible ayant une composition chimique comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, b) une composition solide, compacte, non divisée, biocompatible d'un ciment hydraulique durci comprenant majoritairement au moins un sel de calcium choisi parmi les phosphates de calcium, les sulfates de calcium et les carbonates de calcium, cette composition solide remplissant le volume poreux de la matrice et étant adaptée pour être entièrement résorbable dans ledit milieu. 4/ - Matériau selon la revendication 3, caractérisé en ce que la composition solide est choisie pour présenter une résistance à la compression supérieure à 10 MPa, notamment comprise entre 20 MPa et 50 MPa. 5/ - Matériau selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la composition solide est choisie pour présenter un module d'Young compris entre 700 MPa et 1000 MPa. 6/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la composition solide comprend majoritairement du phosphate dicalcique dihydraté CaHPO4, 2H2O. 7/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la composition solide est du type obtenu par mélange d'une poudre de phosphate tricalcique ss dans une solution d'acide orthophosphorique. 8/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la matrice est adaptée pour être entièrement résorbable dans ledit milieu, et en ce que la composition solide est adaptée pour présenter une cinétique de résorption dans ledit milieu plus rapide que celle de la matrice. 9/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la composition solide est adaptée pour être résorbable dans ledit milieu en une durée inférieure à trois mois. 10/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que la matrice est une céramique macroporeuse. 11/ - Matériau selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matrice présente .des pores interconnectés. 12/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 11, caractérisé en ce que la matrice présente une porosité comprise entre 5 % et 85 %. 13/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que la matrice est choisie pour présenter une résistance à la compression comprise entre 1 MPa et 6 MPa. 14/ - Matériau selon l'une des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que la matrice est choisie pour présenter un module d'Young compris entre 10 MPa et 200 Mpa. 15/ - Matériau selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la matrice comprend une proportion X en poids d'hydroxyapatite Ca10 (PO4)6 (OH)2, et une proportion Y en poids de phosphate tricalcique Ca3 (PO4)2. 16/ - Matériau selon la revendication 15, caractérisé en ce que X + Y = 100 % 17/ Matériau selon la revendication 16, caractérisé en ce que X est de l'ordre de 75% et Y de l'ordre de 25%. 18/ - Implant caractérisé en ce qu'il comprend un matériau selon l'une des revendications 3 à 17. 19/ - Implant caractérisé en ce qu'il comprend au moins une portion en un matériau selon l'une des revendications 3 à 17, destinée à être placée au contact d'un milieu biologique humain ou animal, notamment d'un tissu osseux. 20/ - Kit de mise en oeuvre extemporanée d'un procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bloc d'une matrice solide poreuse biocompatible, et une dose de chacun des constituants nécessaires pour obtenir la solution liquide formant la composition solide biocompatible.