Brevet FR2967073A1 — publié le 20120511

PROCEDE D'OBTENTION D'UN MATERIAU GREFFON DE COMBLEMENT OSSEUX, A USAGE MEDICAL OU VETERINAIRE, MATERIAU OBTENU ET SES APPLICATIONS. La présente invention concerne un procédé d'obtention d'un matériau biologique nano technologique de greffe 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 matériau biocompatible de greffe obtenu par le procédé 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 termes d'intégration ou, ce qui est mieux, en termes d'acceptation biologique. La présente invention a pour but de proposer un procédé très facile à mettre en ceuvre, peu coûteux, et qui permet l'obtention d'un matériau qui combine de bonnes qualités mécaniques générales et une excellente biocompatibilité en termes d'acceptation biologique de type greffe, susceptible de permettre une utilisation particulièrement efficace dans les domaines médicaux, vétérinaires, ainsi que dans les domaines de la robotisation. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé permettant l'obtention d'un matériau dont la constitution se rapproche de celle de l'os ou ostéomimétique et permet une liaison de type greffe avec les cellules osseuses ou fibreuses. Le procédé conforme à la présente invention : consiste à mélanger de façon homogène un polymère thermoplastique biocompatible réalisant une structure de type matrice avec du phosphate tricalcique de type béta : le R TCP Ca3(PO4)2. Le mélange obtenu subit ensuite une opération de moulage type injection ou extrusion, dans des conditions adaptées (température et pression notamment) pour assurer la transformation du phosphate tricalcique en cristaux résorbables et en molécules d'apatite de calcium non stoechiométrique donc résorbables. La transformation lors de l'opération de moulage s'effectue selon la réaction suivante : 4Ca 3(PO4)2+ 4(H20) _ > 3((Ca3(PO4)2)(OH)2Ca + 2HPO4 + Y2 02 3((Ca3(PO4)2)OH2)Ca. Correspond à la formule globale de l'hydroxyapatite de l'os. Cette apatite est totalement non stoechiométrique, donc résorbable, ce qui permet de comprendre les propriétés d'intégration de type greffe du matériau issu du procédé. Ca8,3(PO4)4,3(CO3)1(HPO4)0,7 (CO3,0H) 0,3 1,7 étant la formulation de l'hydroxyapatite de l'os cortical Site Me Site X04 Site Y Ca8,3(PO4)4,3(CO3)1(HPO4)0,7 (CO3,0H) 0,3 1,7 Cette formule correspond à celle d'une apatite phosphocalcique polysubstituée 40 dans laquelle le calcium s'inscrit dans les sites Me de la structure. La non-stoechiométrie, Illustrée par la présence de lacunes sur les sites Me et Y, est engendrée par la Polysubstitution des sites X04 par des espèces de valences différentes. 45 Les caractéristiques physico-chimiques des charges biologiques de type céramiques apatitiques non stoechiométriques sont essentielles à leur activité biologique. Résorbables, elles conditionnent leur35 solubilité et donc leurs interactions avec le milieu biologique, à la base de leurs principales propriétés biologiques. Cette apatite non stoechiométrique résorbable similaire à celle de l'os favorise les échanges transmembranaires des ions calcium ainsi que les réactions transformatives des adénosines phosphates dans le cytosol. Cette présence d'apatite de calcium non stoechiométrique permet au matériau moulé de se rapprocher de la composition naturelle de l'os du fait de son ostéomimétisme et permet de renforcer sa biocompatibilité intrinsèque. En plus de l'hydroxyapatite de calcium formé à partir du phosphate tricalcique de type beta, on peut prévoir d'en rajouter une petite proportion dans le mélange de base, avant moulage. La présence d'adénosine monophosphate (H3PO4) favorise les échanges transmembranaires ainsi que la régulation des principes de la phosphorylation dans le cytosol. Composant les sous unités des acides nucléiques en formant des nucléotides ils intègrent donc les acides nucléiques. Ils servent aussi à transporter l'énergie chimique dans leurs liaisons acide-anhydride facilement hydrolysées, mais peuvent aussi se lier à d'autres groupements pour former des enzymes, ce sont des messagers spécifiques dans les cellules. Associés aux ions calcium labiles contenus dans la formule apatitite non stoechiométrique obtenue par l'injection extrusion, ils potentialisent les processus de cicatrisation et donc d'acceptation biologique des pièces réalisées. La réaction ci-dessus s'effectue de façon partielle et le matériau final moulé contient aussi du phosphate tricalcique de type beta, résiduel.Le phosphate tricalcique sous forme beta est l'un des composés biologique de base pour la formation d'apatite de calcium non stoechiométrique ; il a également une fonction cicatrisante et il est donc résorbable. Le polymère thermoplastique biocompatible a une fonction de matrice à l'identique de la matrice collagène de l'os par exemple ; 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 polyethercétoneéthercétone, un polysulfone, un polytétrafluoro-éthylène, un polyaramide, un polyéther bloc amides ou un polyimide.On peut aussi utiliser un polymère biocompatible résorbable de type acide lactique ou même de la cellulose pour obtenir une résorption totale du matériau néoformé. Etant donné son module de YOUNG et ses caractéristiques structurelles intéressantes qui se rapprochent de celles de l'os, on utilisera de préférence le polyéther éthercétone (PEEK) implantable. Le PEEK est un polymère semi-cristallin formée d'une chaîne 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 température engineering thermoplastia-Properties and processing". Ou dans la brochure VESTAKEEPO PEEK-Polyether Ether Ketone Powders de la société EVONIK plus récente. En outre, la composition de base, avant moulage, peut avantageusement comporter un ou plusieurs agents susceptibles de favoriser la formation d'apatite de calcium non stoechiométrique comme de l'acide phosphorique etlou susceptibles d'améliorer la radio-opacité du mélange moulé. On peut ainsi ajouter un ou plusieurs oxydes métalliques biocompatibles et bioactifs choisis parmi les céramiques des genres dioxyde de titane (TiO2) sous forme anatase, dioxyde de zirconium (ZrO;), ou oxyde d'aluminium (Al203) mais aussi du sulfate de baryum. La présence de phosphate de calcium permet aussi de faciliter la rhéologie du mélange pâteux lors de sa mise en forme par injection ou par moulage. La fonction annexe d'activation ostéoclastique du dioxyde de titane sous forme anatase pourra être un critère de choix important car elle permet un nettoyage du site d'intervention de la chirurgie, favorisant ainsi une cicatrisation plus rapide. Ces oxydes métalliques peuvent jouer un rôle de catalyseur dans la réaction chimique ; ils ont une masse molaire élevée qui permettra de renforcer la radio-opacité du thermoplastique. Ces oxydes métalliques peuvent permettre aussi de réguler les concentrations ioniques des milieux biologiques rencontrés. 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 polymère thermoplastique de base. Le mélange homogène de départ contient du phosphate tricalcique de type béta, apte à se transformer en apatite de calcium non stoechiométrique au cours de l'opération de moulage, en liaison avec le malaxage de la vis et les montées en température et pression ; il peut également contenir de 1 ' hydroxyapatite de calcium, sous forme non stoechiométrique , ainsi qu'un ou plusieurs oxydes métalliques. Pour conserver un matériau moulable ayant la tenue et la résistance voulue, le polymère thermoplastique représente 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 (acide phosphorique, phosphate tricalcique de type béta, apatite de calcium non stoechiométrique et oxyde métallique (TiO2) associés à des composés calciques résorbables, représenteront entre 10 et 35 % en poids du matériau final. Bien entendu, pour des applications particulières, les proportions des matériaux en présence pourront être différentes. Un bon compromis, notamment en termes de caractéristiques mécaniques (dureté, résilience, comportement en traction, en flexion et en torsion) 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 phosphate tricalcique (Ca.(PO4)2 de type beta, de dioxyde de titane (TiO2) sous forme anatase et d'hydroxyapatite non stoechiométrique. Un autre mélange de base est réalisé à partir de polyéther éthercétone (PEEK), de phosphate tricalcique (Ca3PO4)2 sous forme bêta et de dioxyde de titane (TiO2) de type anatase. Le PEEK se présente sous la forme d'une poudre ou de granulés (taille : environ 100 microns), distribués par exemple par la Société EVONIK : Evonik Degussa GmbH Paul-Baumann-Str. 145772 Mari Germany La référence de PEEK utilisée est le Vestakeepe en poudre fine ou du PEEK 450P ceci notamment pour sa présentation en terme de granulométrie et pour sa pureté, afin d'optimiser la biocompatibilité du mélange avec les autres constituants. si la dihydroxyapatite de calcium est utilisée, elle sera toujours non stoechiométrique ; elle se présente sous la forme d'une poudre blanche. Le phosphate de calcium de type R TCP extra pur est disponible sous forme poudreuse (grains de taille voisine de 200 microns) ; il est par exemple commercialisé par la société VWR international Haasrode Researchpark Zone 3 GELDENAAKSEBAAN 464 B- 3001 LEUVEN Belgique. Le dioxyde de titane sous forme anatase est également disponible sous la forme d'une poudre (grains de taille supérieure à 200 microns). Elle est par exemple distribuée par VWR international Haasrode Researchpark Zone 3 GELDENAAKSEBAAN 464 B- 3001 LEUVEN Belgique. a) Proportions Les composés ci-dessus sont présents dans les proportions suivantes : Mélange 1 (10 % de charges) - PEEK 90 % en poids - RTCP 5 % en poids - TiO2 anatase 4 % en poids -Hydroxyapatite non stoechiométrique 1% en poids Mélange 2 (20 % de charges) - PEEK 80 % en poids 8TCP 9 % en poids TiO2 anatase 9 % en poids - Hydroxyapatite non stoéchiométrique 2% en poids Mélange 3 (30 % de charges) - PEEK 70 % en poids - BTCP 14 % en poids - TiO2 anatase 14 % en poids - HYDROXYAPATITE 2 % en poids Mélange 4 (35 % de charges) PEEK 65 % en poids RTCP 16,5 % en poids TiO2 anatase 16,5 % en poids Hydroxyapatite non stoechiométrique 2 % en poids Mélange 5 - PEEK 80 % en poids - 6TCP 10 % en poids - TiO2 anatase 10 % 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) Extrusion- granulation Cette opération permet d'obtenir dans une filière un filament ou un tube qui peut être coupé en morceaux de longueur différentes afin d'obtenir des granulés ou des tuyaux simples ou multiples de toutes les dimensions. e) Moulage L'opération de moulage est réalisée sur presse à injecter de type FANUC électrique 30 tonnes, 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, sinon la qualité de surface des pièces moulées en serait affectée. En effet, le voile de surface serait en phase amorphe et le cceur 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 système de chauffage 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 ou dentaires. On peut également obtenir un bloc de matière que l'on va ensuite découper ou usiner selon la forme désirée, pour un comblement osseux ou un implant, type cage intersomatique pour la colonne vertébrale 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 ou bien des feuilles d'épaisseur variable, éventuellement percées de trous ou de micro trous, afin de réaliser des membranes. Résultats : a- Tests mécaniques 5 A titre d'exemple des résultats pour un mélange de type : PEEK 80% 6TCP 10% TiO2 (forme anatase) répondant aux différents standards de pureté à savoir : Standard CE pour le batch 1 et F.D.A pour le batch 3 sont donnés dans le tableau ci-dessous en comparaison avec le PEEK pur type 450G de chez VICTREX Ltd. Impact (KJ/m2) 7.33 6.0 0.3 6.9 0.1 Les résultats globaux sont indiqués dans la figure 1 fig. 1 : On observe que plus la charge augmente, plus le matériau est dur, à l'exception du mélange à 10 % 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) test d'analyse chimique 15 La figure 2 représente le spectre de diffraction X du mélange 5, c'est-à-dire à base de PEEK (80 %), phosphate tricalcique (10 %) de type beta et dioxyde de titane (10 %) sous forme anatase .La présence des pics repérés par le fléchage montre la présence d 'hydroxyapatite de calcium non stcechiométrique dans le matériau moulé, du même type que la principale composante minérale de l'os humain. 20 c) validation mécanique expérimentale Le matériau moulé obtenu selon l'exemple ci-avant 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 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 25 0,6 Nm). Flex Modulus 3.96 4.74 0.03 4.70 0.04 (GPa) Tensile 99.25 93.16 0.31 98.66 0.20 Strength (MPa) Strain at Break 35.8* 11.16 0.94 21.47 4.20 % Flex Strength (MPa) 162.45 157.19 0.27 161.2 1.36 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. d) Validation ln vitro par cultures cellulaires L'ensemble des études de biocompatibilités réalisées sont toutes conformes à la norme EN ISO 10993. La culture des ostéoblastes Fig. 3, sur le matériau permet de conclure à des valeurs supérieure de 15% à 23% par rapport au matériau témoin en faveur du matériau décrit , selon les diverses souches cellulaires ostéoblastiques étudiées, que ce soit au niveau de l'attachement, de la prolifération,Fig 4 ou bien du dosage de la phosphatase alcaline caractérisant la fonctionnalité des cellules sur le matériau Fig. 5 Les cultures d'ostéoblastes sur différents matériaux de comparaison comme le PEEK implantable valident ces précédents tests donnant le matériau décrit comme meilleur en regard des autres matériaux. e) validation sur l'animal Le rapport de cette étude réalisée à l'école nationale vétérinaire de NANTES Atlanp8le -la Chanterie-BP 40706 -44307 NANTES CEDEX 03 - France. conclut à l'extrême biocompatibilité du matériau en termes d'acceptation biologique. citation : « ...cette augmentation de l'épaisseur de la corticale était accompagnée dans certains cas d'une apposition de néoformation osseuse le long de l'implant, rencontrée pour tous les types d'implants, mais surtout pour les implants des groupes Ti F67 et Die Biopik dont les propriétés d'ostéointégration ont semblé très proches. » Les qualités d'ostéoconduction du matériau sont aussi évidentes sur les photographies réalisées sur des coupes à 6 mois. Fig. 6 f) validation clinique Cas N° 1 Un implant du même type a été ensuite moulé, préparé, et stérilisé à l'autoclave puis aux rayons gamma et placé dans un os mandibulaire 30 Après analyse, on constate une excellente acceptation biologique de l'implant par les cellules et les tissus humains. L'étude radiologique puis clinique démontre les qualités d'ostéoconduction du matériau puisque l'os recouvre l'implant au bout de quelques mois. Fig. 7 : Photo La biopsie réalisée objective la réalisation d'un tissu osseux néoformé parfait, sans composante 35 inflammatoire Fig. 7.: Photo Cas N° 2 Cette acceptation biologique est de type greffe, induite, comme le démontre la lecture du rapport d'étude25 Citation : « ...a la surface, les pourcentages atomiques de l'azote...sont de l'ordre de 7% tandis qu'après un décapage de 450nm, nous trouvons %N = 1% .Nous pouvons donc en conclure que l'azote n'est pas une impureté mais qu'elle est intervenue durant l'implantation... » . En effet l'analyse expérimentale d'un explant démontre la présence d'atomes d'azote liés chimiquement au matériau après implantation sur l'humain alors que le matériau ne contient absolument aucune trace d'atome d'azote avant sa mise en place dans l'humain..Fig. 8 Cette analyse prouve que la résorption des phosphates de calcium sous forme de RTCP et/ou d'hydroxyapatite résorbable ou partiellement résorbable donc non stoechiométrique, par les cellules permet une invagination des cellules dans la couche superficielle du matériau (450 nanomètres environ) Fig.9 photo. La liaison des cellules avec le matériau est de type covalente clairement visualisées dans les deux tableaux : PE 'Ore {Ij Posit on (énergïe en eV) COOR 288.4 C=O 5.6 287.3 C--Q i 2,0 286.4 C.-C=0 16,16 285.68 C-N 20.4 285. ?8 C-C-0 27 2.70 CC-?, Bi(C,t;l 21.5 284.18 Tableau 3 : tableau désignant les diverses fonction se trouvant à la surface de l'implant. L'analyse trouve d'autres types de liaisons que celles du matériau à la surface de l'implant notamment CN 20% et COOR 3,5% 20 La désomation du pic de l'azote met en évidence 3 composantes (tableau 4) Pte an nerg e en eV) ~~ . ,.~. ~~. ~ ~ 809.55 ._, 400.5 NFi 2 t 3 398.5 Dans le matériau, lié chimiquement par des liaisons covalentes se trouve donc la fonction NC, NO (forme oxydée) et amine NH2. Ces fonctions correspondent aux liaisons avec les protéines transmembranaires des cellules osseuses, ainsi qu'aux liaisons avec les phospholipides et les 25 glycolipides permettant les échanges transmembranaires avec les éléments constitutifs du matériau bioactif. Cas N° 315 Un implant du même type a du être explanté suite à un choc d'une extrême violence et une fracture de l'implant. Fig. 10 photo, Fig11 : photo L'exérèse du fragment d'implant résiduel s'est réalisée avec l'aide d'un trépan, et avec beaucoup de difficultés pour le praticien. Fig. 13.: Photo La biopsie réalisée démontre l'association intime macroscopique de l'os sur le matériau. Fig, photo 15 L'analyse histologique ne décrit aucune zone inflammatoire et surtout des prolongements cytoplasmiques ainsi que des cellules insérées dans la couche superficielle du matériau. L'analyse par XPS décrit la présence d'azote dans le matériau à plus de 900 nanométres. La aussi, l'azote est liée au dit matériau par des liaisons covalentes. Il faut rappeler que le matériau ne contient absolument pas d'azote avant implantation. L'azote provient donc des cellules au contact avec le matériau. Par ailleurs l'azote est liée la aussi à des radicaux contenant de l'hydrogène en réalisant des séquences aminées liées au matériau implanté. Cette nouvelle analyse permet de conclure à un principe de greffe, induite, entre les cellules osseuses et le matériau. Le matériau ainsi réalisé pourra comporter une intitulation de type BIO... dans son appellation comme BIOPIK ou BIOPEEK. Cette appellation pourra aussi être étendue à des préfixes ZEO ... ou SIO.... en fonction des charges diverses inclues dans le mélange de base. On dira ainsi ZEOPIK ou ZEOPEEK pour un mélange contenant une quelconque zéolite ou bien SIOPIK ou SIOPEEK pour un mélange avec du silicium oxydé comme le silicate de calcium. REVENDICATIONS- 1.- Procédé d'obtention d'un matériau d'implant endo-osseux à usage médical ou vétérinaire,osteomimétique caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger de façon homogène un polymère thermoplastique biocompatible , au moins avec du phosphate tricalcique de type béta (RTCP), puis à faire subir au mélange obtenu une opération de moulage type injection ou extrusion, au cours de laquelle le malaxage de la vis et les montées en température et en pression permettent la transformation du dit phosphate tricalcique en une apatite de calcium 3(Ca3(PO4)2)(OH)2Ca non stoechiométrique similaire à celle de l'os. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polymère thermoplastique utilisé consiste en du polyéther éthercétone (PEEK) implantable. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à incorporer dans le mélange de base, avant moulage, un ou plusieurs oxydes métalliques biocompatibles et bioactifs. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'oxyde métallique utilisé est le dioxyde de titane sous forme anatase. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il consiste à incorporer de l'hydroxyapatite de calcium non stoechiométrique dans le mélange de base, avant moulage. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à faire subir une opération de moulage, type injection ou extrusion, à un mélange homogène constitué de : - polyéther éthercétone (PEEK) - phosphate tricalcique Ca3 (PO4)2 de type béta 6TCP - dioxyde de titane (TiO2) sous forme anatase. 7. - Matériau ostéomimétique à usage biologique ou médical obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8.- Matériau selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comporte : - 65 à 90% en poids de polymère thermoplastique, - 10 à 35% en poids de composants complémentaires, au moins en forme d'hydroxyapatite de calcium non stoechiométrique associé à des composés calciques résorbables. 9. - Application du matériau selon l'une des revendications 7 ou 8 pour la réalisation d'implant endo-osseux, notamment dentaire. 10. - Application du matériau selon l'une des revendications 7 ou 8 pour la réalisation de prothèses osseuses.