BIOREACTIVE MATERIALS

Abstract: 1. Bioreactive material, characterized in that they are obtained by fusion of a mixture of from 20 to 50 % by weight of SiO2 , 15 to 25 % by weight of CaO, 5 to 10 % by weight of P2 O5 , 15 to 25 % by weight of Na2 O and 3 to 15 % by weight of Al2 O3 , or of their metallic precursors giving by fusion equivalent quantities of oxides.

Description: MATERIAUX BIOREACTIFS La présente invention a pour objet des nouveaux matériaux bioréactifs utilisés notamment pour les implants et les prothèses sur hommes ou animaux dans les domaines médicaux, dentaires et vétérinaires. Par matériaux bioréactifs, suivant la présente invention, on comprend des matériaux résultant de la fusion de mélanges d'oxydes ou de sels ou de tout autre précurseur métallique et qui sont susceptibles de réagir biochimiquement avec les tissus vivants et plus particulièrement les tissus osseux. Les verres et vitrocéramiques biologiquement actifs sont connus depuis de nombreuses années. Ansi des compositions comprenant de 40 à 60 % de SiO2 et B203 25 % de Nua20, 25 % de CaO et quelques pourcents de P2 05 ont Sait l'objet de nombreuses expérimentations. Dans le cas de telles compositions, l'accrochage avec l'os est tributaire de la formation en surface du matériau d'une structure microporeuse développant une grande surface spécifique, par exemple un gel de silice, protégé par une couche riche en ions Ca et P. La diffusion sélective des ions sodium, calcium et phosphore, la dissolution partielle du réseau du matériau sont les principales étapes qui conduisent à cette structure superficielle induisant la minéralisation de l'os à sa surface. Suivant les brevets US 2301488 et 2243915, des matériaux formés d'une phase vitreuse et d'une phase cristalline telle que l'hydroxyapatite ou des autres composés du même groupe cristallin sont baséssur le principe selon lequel la présence de phases cristallineshexagonales dans la phase vitreuse favorise la croissance épitaxique de l'apatite dans le matériau. Suivant ltart antérieur un même principe réactionnel à la surface du matériau en contact avec les tissus vivants conduit toujours à la formation d'un milieu développant une grande surface spécifique comme par exemple un gel de silice. Ces divers . matériaux ont un pouvoir ostéogénique lorsq;Mls sont au contact d'un milieu physiologique. Néanmoins, des expériences réalisées sur moutons dont les résultats sont exposés dans J. of. Biomedic. Mater. Res. Vol. 12, 57-65 (1978) ont montré que la structure superficielle développée par les matériaux classiques n'assure pas une tenue mécanique à long terme des implants qu'ils recouvrent. Dans un milieu corrosif tel que le milieu physiologique, cette structure superficielle se détruit et provoque une corrosion trop importante de l'implant. La présente invention.a pour but de pallier ces inconvénients en agissant sur la réactivité de surface du matériau de manière à augmenter la résistance à la corrosion des couches superficielles. En conséquence leur résistance mécanique à long terme est améliorée tout en gardant le même pouvoir ostéogénique que les matériaux connus jusqu'à présent. La présente invention a pour objet des nouveaux matériaux bioréactifs développant en leur surface au contact des tissus vivants une couche silico-alumimium qui se forme après dissolution sélective d'ions dans le milieu environnant. De tels matériaux bioréactifs qui n'ont jamais été synthétisés jusqu'à présent sont obtenus par le choix en proportions définies des divers oxydes métalliques les constituant. Les matériaux bioréactifs, suivant la présente invention sont caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par fusion d'un mélange de 20 à 50 % en poids de SiO2, 15 à 25 % en poids de CaO, 5 à 10 % en poids de P205, 15 à 25 % en poids de Na2O et 3 à 15 % en poids de Au205 ou de leurs précurseurs métalliques donnant par fusion des quantités équivalentes en oxydes. Par fusion, on entend tout procédé qui permet d'obtenir à une température supérieure à 500 C une structure vitreuse. Le mélange avant fusion peut être obtenu par les techniques connues comme par exemple le mélange des poudres ou les techniques indirectes comme par exemple la méthode des gels. Par précurseur métalique, on entend tout composé métallique succeptible de donner des oxydes par fusion. Par exemple, les hydroxydes, carbonates et nitrates peuvent être utilisés suivant la présente invention en quantité équivalentes de telle manière que l'on obtienne par fusion les quantités desirées en oxydes. Les compositions bioréactives qui font l'objet de la présente invention doivent toujours contenir un taux minimum d'ion- formateurs de réseaux : SiO2, Al203 qui garantissent la formation au contact des tissus osseux d'une couche silico-alumineuse et la stabilité chimique à long terme du matériau. La teneur en SiO2 doit être supérieure à 20 t parce qu'il est l'ions formateur principal du réseau du verre. Une teneur supérieur à 50 % de SiO2 diminue fortement la réactivité du matériau bioréactif. La présence d'oxyde d'aluminium renforce la résistance à la corrosion des structures superficielles du matériau bioréactif. Il a été constaté que l'Al2 03 doit être présent en une quantité d'au moins environ 3 % en poids pour pouvoir jouer ce rôle. Une forte teneur en alumine audelà de 15 % en poids provoque une série de phénomènes difficilement contrôlables durant la préparation,notam ment la dévibificationquimodifie les propriétés des matériaux bioréactifs. Les quantités de P20g utilisées dans les compositions pour l'obtention des matériaux bioréactifs sont comprises entre 5 et 10 % en poids. Cet élément contribue à la formation de l'os à la surface du matériau mais une augmentation de la limite supérieur n'apporte aucun avantage particulier. Les teneurs en ions alcalins et alcalino-terreux déterminent les réactivités à court et à moyen terme du matériau. Ces teneurs doivent donc être judicieusement choisies en fonction de différents paramètres d'utilisation comme par exemple la vascularisation du milieu physiologique. Elles sont comprises entre 15 et 25 % en poids de CaO et de Na2O ; le CaO pouvant être substitué par du MgO et/ou du CaF2 et le Na2O par du K2Oet/ou du Li2O. Les expériences réalisées in vivo ont montré que la présence de CaO et P205 dans les matériaux bioréactifs favorise la repousse osseuse à la surface de celui-ci. De plus, le rapport des teneurs en CaO et P205 est choisi de telle manière que ce phénomène soit optimal. Préférentiellement ce rapport est de 3. Suivant la présente invention, les nouvelles compositions de matériaux bioréactifs peuvent comprendre en plus 5 à 25 % en poids de B2 03. Ce pourcentage de B2O3 peut être réglé de manière à diminuer la température de fusion de l'ensemble des constituants et faciliter les processus de préparation du matériau. Il est à remarquer que l'adjonction de B2O3 a une influence sur les caractéristiques physiologiques du matériau final. Selon les utilisations envisagées, des caractéristiques physiques telles que le coefficient de dilatation thermique et l'évolution de la viscosité en fonction de la température peuvent être ajustées en faisant varier la quantité de B203 dans le matériau dans les limites revendiquées. La couche silico-alumineuse qui se forme en présence des tissus vivants constitue un mileu qui possède des propriétés catalytiques particulièrement intéressantes. En outre, elle possède une résistance à la corrosion en milieu alcalin beaucoup plus grande que le gel de silice. Il est de cette manière possible de mieux contrôler le comportement à long terme de ce matériau. Des expériences ont montré que cette couche silicoalumineuse était stable dans des milieux dont le Ph vaut11 et que dans ces conditions il n'était pas nécessaire qu'elle soit protégée par une couche Ca-P pour garder une épaisseur constante. Ce fait est une illustration de l'effet bénéfique de l'adjonction d'ions Al? + dans un réseau silicaté sur la corrosion de celui-ci. Suivant une réalisation préférentielle de l'invention, les matériaux bioréactifs sont obtenus par fusion d'un mélange de 25 à 35 % en poids de SiO2, de 15 à 25 % en poids de CaO, de 5 à 10 % en poids de P2 031 de 15 à 25 % en poids de Na20, de 5 à 12 % en poids d'AI2 03 et de 10 à 20 % en poids de B2 3 ou de leurs précurseurs métalliques donnant par fusion des quantités équivalentes en oxydes. D'autres oxydes métalliques peuvent être éventuellement présente dans les matières premières ou peuvent être ajoutées en quantités faibles aux matières premières sans sortir du cadre de la présente invention. De tels oxydes jouent un rôle négligeable sur les propriétés du matériau final. Les nouveau matériaux bioréactifs faisant objet de la présente invention sont obtenus par fusion telle que définie ci-avant ou par tout autre procédé similaire connu. Par exemple, par la méthode des poudres, la fusion peut être réalisée à des températures comprises entre 1.100 et 1.4500C. pendant des temps de 3 à 12 h. Par la méthode des gels, la fusion peut être réaliséedestempé- ratures beaucoup plus basses, par exemple légèrement supérieures à 5000C. Suivant la première méthode, les composants sont par exemple prémélangés dans une jarre rotative pendant quelques heures avant de subir le traitement de fusion. Le m-lange fonduest, soit coulé dans des moules de graphite de forme dsirée dans lesquels le produit est recuit, ou bien coulé et bro'jé par exemple en poudre ou en particu les de granulométrie désirée. Tout autre technique de fusion, de moulage ou de coulage, d'injection peut être utilisée pour la fabrication de matériaux bioréactifs. Les nouveaux matériaux bioréactifs trouvent de nombreuses applications notamment dans les domaines médicaux, dentaires et vétérinaires. Les matériaux bioréactifs faisant l'objet de la présente invention sont utilisés comme matériau de base ou de recouvrement. Par matière de base, on comprend également toute composition obtenue à base des matériaux bioréactifs faisant l'objet de la présente invention et d'autres matériaux, charges et/ou additifs; ces derniers composés pouvant être des poudres céramiques comme par exemple l'alumine ou l'hydroxyapatite. Les matériaux de base peuvent se présenter sous différentes formes par exemple sous forme de poudres, de particules, de flocons et de fibres. Ils peuvent être utilisés pour la fabrication de produits finis les plus divers : par exemple des produits conformés de forme quelconque, des tissus, tricots ou matériaux non tissés trouvant des applications dans les domaines médicaux, dentaires et vétérinaires. En utilisant des techniques connues par exemple de coulage et de moulage, on peut réaliser à partir de ces nouveaux matériaux bioréactifs tout implant ou prothèse. Les matériaux bioréactifs faisant l'objet de la présente invention sont utilisés également comme matériau de recouvrement ou d'enduction des implants et/ou prothèses. Ces derniers peuvent être recouverts partiellement ou totalement. Ils se prêtent particulièrement bien au recouvrement de pièces en céramique d'oxyde d'aluminium sans crain 3+ dre de diffusion des ions Al lors de la déposition mais peuvent aussi servir au recouvrement ou a l'enduction de piè- ces composées d'autres céramiques, de métaux ou de verres. Dans ce type d'applications, on fait usage de toute technique connue de recouvrement, par exemple la déposition par chalumeau de projection plasma. Les nouveaux matériaux bioréactifs revendiqués trouvent notamment une application intéressante pour la fixation des prothèses de la hanche. Par l'utilisation de ces matériaux bioréactifs, il est possible en utilisant des formes de prothèses autobloquantes de les fixer sans emploi de ciment et d'obtenir ainsi un cimentage biologique- ment idéal puisque ces matériaux bioréactifs participent à la repousse du tissu osseux et à la liaison avec ceux-ci. Les nouveaux matériaux bioréactifs peuvent également trouver de nombreuses applications dans les domaines médicaux autres qu'orthopédiques. A titre d'exemple, citons le remplacement des osselets de l'oreille interne. Dans le domaine dentaire, les matériaux bioréactifs peuvent être utilisés comme composants d'implants pour la fixation des couronnes dentaires. Dans le domaine vétérinaire, ils peuvent servir à réaliser par exemple, des prothèses orthopédiques pour chiens et pour chevaux. Lorsqu'ils sont implantés dans un milieu vivant, ces matériaux bioréactifs subissent à leur surface une séquence de diffusions sélectives chimiques qui conduisent à la formation d'un milieu favorable à la repousse osseuse. Cette réactivité en milieu physiologique conduit à la formation d'un lien chimique durable et mécaniquement stable avec les os environnants. Cest pourquoi, ces-ma- tériaux sont destinés notamment à la fixation de prothèses d'implants en contact avec les os ou avec un milieu physiologique dans lequel l'ostéogenèse est possible. La présente invention sera mieux comprise à l'aide des exemples non limitatifs décrits ci-après Exemple 1. Un matériau bioréactif a été obtenu par fusion à 1350 OC. pendant 3 heures d'un mélange de 21 % en poids de Si 02, de 24,5 % en poids de CaO et de Na20, de 6 % en poids de P205, de 9 % en poids d'Al20 et de 15 % en poids de B203. Une composition classique connue comprenant 30 % en poids de SiO2, 15 % en poids de B203, 24,5 % en poids de Na2O et de CaO et 6 % en poids de P205, ne contenant pas d'Al203 a été utilisée comme composition comparative. Les- avantages apportés par l'invention ont pu être mis en évidence en faisant subir au nouveau matériau des tests de corrosion in vitro et in-wivo. Une partie des tests in vitro a été réalisée sur des poudres de 44 m à 104 ssm obtenues par broyage de la masse coulée et tamisage, dont la distribution granulométrique est contrôlée par sédigraphie. Une autre partie des tests in vitro est effectuée sur des plaquettes parallélipédiques préalablement découpées et rodées à l'outil diamanté. Le test consiste à exposer les poudres et les plaquettes à une solution aqueuse tamponnée à pH 7.2 et non tamponnée ( eau déminéralisée ) pendant des temps variant de 1 jour à 8 semaines. L'évolution des phases cristallines est suivie par diffraction de rayons X, les analyses chimiques sont réalisées par spectrophotométrie plasma sur les poudres et l'analyse des profils de concentration des différents éléments à la surface des plaquettes a pu être réalisée à l'aide d'une microsonde électronique. Une méthode d'adsorption d'azote permet de suivre l'évolution de la surface spécifique des poudres. L'étude de la cinétique de corrosion in vitro de la composition classique utilisée à titre comparatif et de la nouvelle composition revendiquée a permis de mettre en évidence les différences fondamentales entre les comportements de surface de ces deux matériaux La réactivité de surface du nouveau matériau bioréactif est plus grande que celle de la composition classique (diffusion plus rapide des ions modificateurs Ca Na ). Dans un premier temps, l'uxide d'aluminium participe à la formation du réseau de la phase vitreuse du matériau bioréactif ++ Le léchage des ions Ca et Na de la surface du nou- veau matériau induit la formation d'un gel silico-aluminieux développant une surface spécifique de plusieurs m2/g et particulièrement résistant à la corrosion alcaline. Cette couche silico-alumineuse en surface forme en ellemême une protection bloquant, par sa présence, les phénomènes de diffusion des ions modificateurs. D'autre part, les tests in vivo décrits ci-dessous montrent que le nouveau matériau, par des mécanismes simples, réalise un lien chimique remarquable avec les tissus osseux avec lesquels ils sont en contact. Des implants ont été préparés à partir des différents oxydes ou différents carbonates correspondants à la compositions reprise ci-avant par fusion à des températures de 13500 C pendant 3 heures et par coulée dans des moules parallélipédiques en graphite. Les pièces ainsi obtenues sont découpées afin d'obtenir des implants de même que ceux testés in vitro. Ceux-ci sont polis à la meule diamantée et stérilisés au dioxyde d'éthylène. Les implants sont alors placés dans des rats mâles Sprague Dawley de 150 g. On anesthésie l'animal. Sur la surface intérieure de la patte arrière gauche, on dégage le tibia des muscles environnants, on réalise une fente à travers les cortex latéraux du tibia à l'aide d'un foret électrique et on insère l'implant dans la fente. On referme l'incision par points et agraphes. La fixation avec l'os est évaluée après 30 jours d'implantation. Les tibias sont extraits des animaux sacrifiés et délestés des tissus adhérents. La zone proche de l'implant est examinée à la fois par coupes histologiques réalisées après enlèvement de l'implant hors de l'os récepteur, à la fois par microsonde électronique après lyophilisation. L'examen des implants extraits des animaux sacrifiés après 1 mois montre que l'incision réalisée dans le tibia était complètement comblée par de l'os minéralisé et que des excroissances osseuses sur l'implant fixaient celui-ci de manière parfaite. Des analyses au travers de l'interface corticale-implant ont montré clairement la barrière silico-alumineuse formée à la surface du nouveau matériau, cette barrière est perméable aux macromolécules de collagène et aux muccopolysaccharides et sert de milieu catalyseur pour la minéralisation de l'os. Les mêmes expérience ont été réalisées sur une composition classique. Les résultats montrent clairement que, dans la plupart des cas, ces matériaux subissent une séquence de corrosion qui conduit à moyen terme à la destruction totale du matériau. Exemple 2. Des implants ont été réalisés à partir d'un alliage de titane recouvert du matériau bioréactif dont la composition est donnée à l'exemple 1. Des poudres de granulemétrie comprises entre 60 et 100 m ont été synthétisées pour recouvrir sous forme d'une couche de 300 Wm les implants. Les mêmestests in vitro et in vivo que ceux de l'exemple 1 ont été appliqués sur les implants recouverts du matériau bioréactif. Les résultats obtenus sont comparables à ceux de l'exemple 1 et les mêmes conclusions sur les qualités ostéogéniques et la résistance à la corrosion du matériau bioréactif peuvent être tirées.

Claims: REVENDICATIONS. 1. Matériaux bioréactifs caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par fusion d'un mélange de 20 à 50 % en poids de SiO2, 15 à 25 % en poids de CaO, 5 à 10 % en poids de P205, 15 à 25 % en poids de Na20 et 3 à 15 % en poids aJAl2 03 ou de leurs précurseurs métalliques donnant par fusion des quantités équivalentes en oxy des. 2. Matériaux bioréactifs suivant la revendication 1 carac térisés en ce que le CaO peut être substitué en partie par du MgO et/ou par du CaF2 et le Na20 par du K20 et/ou par du Li20. 3. Matériaux bioréactif s suivant les revendications 1 et 2 caractérisés en ce qu'ils comprennent en plus 5 à 25 % en poids de B203. 4. Matériaux bioréactifs suivant les revendications 1 à 3 caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par fusion d'un mélange de 25 à 35 % en poids de SiO2, 15 à 25 % en poids de CaO, 5 à 10 % en poids de P205, 15 à 25 % en poids de Na2 0, 5 à 12 % en poids d'Al203 et 5 à 25 % en poids de B2O3 ou de leurs précurseurs métalliques don nant par fusion des quantités équivalentes en oxydes. 5. Matériaux bioréactifs suivant les revendications 1 à 4 caractérisés en ce qu'ils sont utilisés comme matériaux de base ou comme matériaux de recouvrement des implants et prothèses dans les domaines médicaux, dentaires et vétérinaires.

Inventors: RICHEZ, RAYMOND MICHEL
Applicants: REGION WALLONNE REPRESENTEE PAR L'EXECUTIF REGIONAL WALLON
Application year: 1983
Main classification: A61K6
IPC codes: A61L17, A61L27, A61F2, C03C3, C03C14, C03C4