CH627723A5 - Process for coating the surface of a ceramic with a biologically active glass, product obtained by using this process and use of this product - Google Patents

Process for coating the surface of a ceramic with a biologically active glass, product obtained by using this process and use of this product Download PDF

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CH627723A5
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glass
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cao
coating
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CH84878A
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Larry Leroy Hench
David Charles Greenspan
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Univ Florida
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Description

60 La présente invention concerne un procédé pour revêtir la surface d'une céramique à base d'A1203 avec un verre biologiquement actif, le produit obtenu par la mise en œuvre de ce procédé, ainsi qu'une utilisation de ce produit. The present invention relates to a process for coating the surface of a ceramic based on A1203 with a biologically active glass, the product obtained by the implementation of this process, as well as to a use of this product.

La résistance mécanique des céramique à base d'Al203 et leurs 65 propriétés antifriction et de résistance à la fatigue rendent celles-ci idéales pour la réalisation de prothèses artificielles et d'instruments orthopédiques. Cependant, l'inactivité biologique des surfaces en céramique à base d'A1203 rend très difficile, sinon impossible, The mechanical resistance of Al203-based ceramics and their 65 anti-friction and fatigue resistance properties make them ideal for the production of artificial prostheses and orthopedic instruments. However, the biological inactivity of ceramic surfaces based on A1203 makes it very difficult, if not impossible,

3 3

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l'implantation sans ciment de ces prothèses, car le tissu osseux n'y adhère pas ou ne peut s'y développer* cementless implantation of these prostheses because the bone tissue does not adhere to them or cannot develop there *

Différentes techniques ont été récemment proposées pour rendre actives les surfaces en céramique, afin d'améliorer les possibilités d'adhérence des tissus osseux sur les prothèses en A1203. Cependant, toutes ces techniques sont soit très onéreuses, soit très longues à mettre en œuvre, soit donnent des structures en céramique ayant des propriétés de résistance mécanique, d'antifriction et de résistance à la fatigue amoindries. Various techniques have recently been proposed to make ceramic surfaces active, in order to improve the possibilities of adhesion of bone tissues on A1203 prostheses. However, all these techniques are either very expensive, or very time-consuming to implement, or give ceramic structures having properties of mechanical strength, antifriction and resistance to fatigue reduced.

Le but de la présente invention est de fournir une prothèse interne pour remplacer un os et ne nécessitant pas l'emploi de ciment comprenant une céramique à base d'Al203 et biologiquement active, et un procédé de préparation de celle-ci qui soit peu onéreux et qui n'entraîne pas une diminution des propriétés de résistance mécanique, d'antifriction et de résistance à la fatigue de la céramique à base d'Al203. The object of the present invention is to provide an internal prosthesis to replace a bone and not requiring the use of cement comprising a ceramic based on Al 2 O 3 and biologically active, and a process for the preparation thereof which is inexpensive and which does not cause a reduction in the mechanical resistance, anti-friction and fatigue resistance properties of the Al 2 O 3 ceramic.

La présente invention a donc pour premier objet un procédé de revêtement de la surface d'une céramique compacte avec un verre biologiquement actif ayant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la céramique, ledit procédé comprenant les étapes suivantes: The present invention therefore has as its first object a method of coating the surface of a compact ceramic with a biologically active glass having a coefficient of thermal expansion different from that of ceramic, said method comprising the following steps:

— on met en contact le verre avec la surface de la céramique à une température et pendant un temps suffisants pour souder le verre sur la surface de la céramique par diffusion d'ions, The glass is brought into contact with the surface of the ceramic at a temperature and for a time sufficient to weld the glass to the surface of the ceramic by ion diffusion,

— on refroidit le substrat revêtu jusqu'à une température suffisante pour produire des microfissures interconnectées dans le revêtement vitreux en conséquence des contraintes thermomécaniques induites par la différence des coefficients de dilatation thermique de ladite céramique et dudit verre, et The coated substrate is cooled to a temperature sufficient to produce interconnected microcracks in the vitreous coating as a consequence of the thermomechanical stresses induced by the difference in the coefficients of thermal expansion of said ceramic and said glass, and

— on recouvre le revêtement vitreux comportant les microfissures avec au moins une couche supplémentaire d'un verre biologiquement actif. - The vitreous coating comprising the microcracks is covered with at least one additional layer of a biologically active glass.

Un second objet de l'invention est constitué par le produit obtenu par la mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus, et qui comprend une céramique compacte à base d'Al203 dont la surface est revêtue par au moins deux couches d'un verre biologiquement actif ayant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de la céramique à base d'Al203. A second object of the invention consists of the product obtained by implementing the method described above, and which comprises a compact ceramic based on Al 2 O 3, the surface of which is coated with at least two layers of a glass. biologically active with a coefficient of thermal expansion different from that of Al203-based ceramic.

Enfin, un troisième objet consiste en l'utilisation du produit ci-dessus pour la réalisation d'une prothèse interne apte à remplacer au moins une partie d'un os et ne nécessitant pas l'emploi d'un ciment. Finally, a third object consists in the use of the above product for the production of an internal prosthesis capable of replacing at least part of a bone and not requiring the use of a cement.

L'invention sera illustrée ci-après en référence à des modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemples. La description se réfère en outre aux figures annexées, sur lesquelles on a représenté: The invention will be illustrated below with reference to particular embodiments given by way of examples. The description also refers to the appended figures, in which:

— sur la fig. 1, un diagramme des temps pour la cuisson de la céramique, t représentant les temps en heures et T les températures en degrés centigrades, - in fig. 1, a diagram of the times for firing the ceramic, t representing the times in hours and T the temperatures in degrees centigrade,

— sur la fig. 2, des courbes donnant les quantités relatives (R) d'aluminium et de sodium en fonction de la profondeur (d) dans la céramique revêtue par une seule couche, - in fig. 2, curves giving the relative amounts (R) of aluminum and sodium as a function of the depth (d) in the ceramic coated with a single layer,

— sur la fig. 3, des courbes identiques à celles de la fig. 2, mais dans le cas où la céramique est revêtue de deux couches, - in fig. 3, curves identical to those of FIG. 2, but in the case where the ceramic is coated with two layers,

— sur la fig. 4, des courbes illustrant la contrainte de rupture (Rr) en fonction de la vitesse V d'application de l'effort, et - in fig. 4, curves illustrating the breaking stress (Rr) as a function of the speed V of application of the force, and

— sur les fig. 5a à 5c, des dessins illustrant les différentes étapes de formation de la céramique revêtue. - in fig. 5a to 5c, drawings illustrating the different stages of formation of the coated ceramic.

Il est bien connu que, lorsqu'on réalise un revêtement vitreux ayant un coefficient de dilatation thermique élevé sur un substrat ayant un coefficient de dilatation thermique faible, des contraintes prennent naissance lors du refroidissement. Comme ces contraintes thermiques engendrent un affaiblissement de l'ensemble de la structure revêtue, il est courant, selon l'art antérieur, d'essayer de rendre aussi compatibles que possible les coefficients de dilatation thermique des matériaux respectifs pour minimiser ces contraintes. Il en résulte nécessairement une réduction considérable du nombre et de la variété des revêtements qui peuvent être appliqués à un substrat particulier. It is well known that when a glassy coating having a high coefficient of thermal expansion is produced on a substrate having a low coefficient of thermal expansion, stresses arise during cooling. As these thermal stresses generate a weakening of the entire coated structure, it is common, according to the prior art, to try to make the thermal expansion coefficients of the respective materials as compatible as possible in order to minimize these stresses. This necessarily results in a considerable reduction in the number and variety of coatings which can be applied to a particular substrate.

On compte sur des dissemblances extrêmes entre les coefficients de dilatation thermiques respectifs pour induire des contraintes thermo-mécaniques dans le revêtement vitreux biologiquement actif. Sous l'effet du refroidissement, la couche vitreuse se fissure pour libérer les contraintes dues aux dissemblances thermiques. Il en résulte des lots isolés du revêtement vitreux biologiquement actif séparés les uns des autres par des fentes ou microfissures. Ces fissures ont des largeurs qui vont à peu près de 0,05 à 0,8 u.. Les petits îlots de verre biologiquement actifs sont soudés à la surface de la céramique compacte à base d'A1203 par une importante soudure par diffusion qui se développe en opérant à des températures élevées (1100 à 1350°C). La soudure par diffusion est une soudure chimique entre le substrat à base d'Al203 et le revêtement vitreux biologiquement actif. Cela supprime un interface bien défini entre l'Al203 et le verre biologiquement actif. Il s'ensuit une amélioration des caractéristiques générales de résistance mécanique de la céramique. We rely on extreme dissimilarities between the respective thermal expansion coefficients to induce thermo-mechanical stresses in the biologically active vitreous coating. Under the effect of cooling, the vitreous layer cracks to release the stresses due to thermal dissimilarities. This results in isolated batches of the biologically active vitreous coating separated from each other by slits or microcracks. These cracks have widths which range from approximately 0.05 to 0.8 u. The small islets of biologically active glass are welded to the surface of the compact ceramic based on A1203 by a significant diffusion welding which develops by operating at high temperatures (1100 to 1350 ° C). Diffusion welding is a chemical welding between the Al203-based substrate and the biologically active vitreous coating. This removes a well-defined interface between Al203 and biologically active glass. This results in an improvement in the general mechanical strength characteristics of the ceramic.

De multiples revêtements de verres biologiquement actifs peuvent alors être appliqués sur la couche vitreuse comportant les microfissures, sans risque d'introduire des contraintes thermo-mécaniques dans la structure. Cela est dû au fait que la seconde couche et les couches suivantes sont soudées à la première couche vitreuse biologiquement active et non au substrat à base d'Al203. Ainsi, la seconde couche vitreuse a des propriétés physiques identiques à celles de la première couche vitreuse sans dissemblances entre les coefficients de dilatation thermique respectifs. Multiple coatings of biologically active glasses can then be applied to the vitreous layer comprising the microcracks, without the risk of introducing thermo-mechanical stresses into the structure. This is due to the fact that the second and subsequent layers are welded to the first biologically active vitreous layer and not to the Al 2 O 3 substrate. Thus, the second glassy layer has physical properties identical to those of the first glassy layer without dissimilarities between the respective thermal expansion coefficients.

La structure qui en résulte a la possibilité de faire,adhérer les tissus vivants au matériau qui constitue l'implant comprenant un substrat en céramique revêtu en raison des propriétés du verre biologiquement actif. De plus, le procédé de revêtement ne nuit pas à la résistance mécanique de la céramique à base d'Al203 puisque toutes les contraintes thermo-mécaniques sont libérées pendant l'opération de réalisation de la première couche de revêtement et qu'aucune autre contrainte n'est induite ni par la seconde étape de revêtement par un verre, ni par les suivantes. The resulting structure has the ability to make, adhere living tissue to the material that constitutes the implant comprising a coated ceramic substrate due to the properties of biologically active glass. In addition, the coating process does not harm the mechanical resistance of the Al203-based ceramic since all the thermo-mechanical stresses are released during the operation for producing the first coating layer and no other stress is required. 'is induced neither by the second step of coating with a glass, nor by the following.

Comme il n'y a pas à prendre en compte la comptabilité de coefficients de dilatation thermique, une plus grande variété de matériaux vitreux biologiquement actifs ne peut servir de revêtement à la surface de la céramique que dans le cas des techniques qui prévalent actuellement selon l'art antérieur. As there is no need to take into account the accounting of coefficients of thermal expansion, a greater variety of vitreous biologically active materials can only be used as a coating on the surface of ceramic than in the case of the techniques which currently prevail according to prior art.

En effet, en commandant avec attention le processus du revêtement, la résistance mécanique de la céramique compacte à base d'Al203 peut réellement être améliorée. En contrôlant la dimension des fentes ou microfissures en dessous de 1 jjl, la résistance mécanique et la résistance à la fatigue des céramiques à base d'Al203 sont accrues. Indeed, by carefully controlling the coating process, the mechanical resistance of compact Al203-based ceramic can really be improved. By controlling the size of the cracks or microcracks below 1 djl, the mechanical resistance and the fatigue resistance of Al203-based ceramics are increased.

N'importe quel verre biologiquement actif peut être employé pour les besoins de l'invention. L'homme de l'art comprendra que tout verre biologiquement actif adéquat, selon l'usage final auquel est destinée la céramique revêtue, peut être utilisé. D'une façon générale, un verre biologiquement actif est un verre capable d'adhérer aux tissus vivants et contient en composition pondérale: Any biologically active glass can be used for the purposes of the invention. Those skilled in the art will understand that any suitable biologically active glass, depending on the end use for which the coated ceramic is intended, can be used. In general, a biologically active glass is a glass capable of adhering to living tissue and contains in composition by weight:

Si02 40-62% Si02 40-62%

Na20 10-32%. Na20 10-32%.

CaO 10-32% P2Os 3-9% CaO 10-32% P2Os 3-9%

CaF2 0-18% CaF2 0-18%

B203 0-7,5% B203 0-7.5%

NazO+CaO doit représenter au moins 30% pour produire l'adhérence avec le tissu vivant. NazO + CaO must represent at least 30% to produce adhesion with living tissue.

Des verres particuliers convenables comprennent ceux qui ont les compositions suivantes: Particular suitable glasses include those which have the following compositions:

A. Si02 45,0% A. Si02 45.0%

Na20 24,5% Na20 24.5%

CaO 24,5% CaO 24.5%

P205 6,0% P205 6.0%

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

627723 627723

4 4

B. Si02 B. Si02

42,94% 42.94%

NazO NazO

23,37% 23.37%

CaO CaO

11,69% 11.69%

p2o5 p2o5

5,72% 5.72%

CaF2 CaF2

16,26% 16.26%

C. Si02 C. Si02

40,0% 40.0%

Na20 Na20

24,5% 24.5%

CaO CaO

24,5% 24.5%

p2o5 p2o5

6,0% 6.0%

b2o3 b2o3

5,0% 5.0%

Pour obtenir un revêtement vitreux présentant des microfissures, il est généralement préférable d'employer des céramiques compactes à base d'Al203 ayant un coefficient de dilatation thermique, pour la gamme de températures de 0 à 1000°C, compris entre 35 x 10-7 et 75 x 10-7/°C et un verre biologiquement actif ayant un coefficient de dilatation thermique, pour la gamme de températures de 0 à 1000°C, compris entre 95 x 10~7 et 145 x 10~7/°C. To obtain a vitreous coating with microcracks, it is generally preferable to use compact ceramics based on Al203 having a coefficient of thermal expansion, for the temperature range from 0 to 1000 ° C, between 35 x 10-7 and 75 x 10-7 / ° C and a biologically active glass having a coefficient of thermal expansion, for the temperature range from 0 to 1000 ° C, between 95 x 10 ~ 7 and 145 x 10 ~ 7 / ° C.

Les verres biologiquement actifs sont tout d'abord fondus (par exemple dans des creusets en platine) pendant 3 à 12 h pour obtenir l'homogénéité. La gamme de températures de fusion va de 1300 à 1500°C. Après la fusion, le verre biologiquement actif est trempé dans de l'eau et broyé dans un broyeur à billes pour obtenir une poudre de verre formée de particules ayant les dimensions souhaitées. En général, il est préférable d'avoir des particules dont les dimensions sont inférieures à environ 74 p. La poudre est ensuite mélangée à un liant organique (par exemple des polymères organiques tels qu'un mélange de 20% de polyvinylacêtate et de 80% d'alcool polyvinyli-que) et à solvant organique convenable (par exemple du toluène, de l'acétone, du xylène, etc.) pour former une boue. La quantité de liant utilisée dépend des dimensions des particules de la poudre employée. D'une manière générale, les particules de dimensions plus importantes exigent des quantités de liant plus importantes pour obtenir un effet de couverture adéquat. On peut faire varier la quantité de solvant pour contrôler la viscosité de la boue et l'épaisseur du revêtement final. The biologically active glasses are first of all melted (for example in platinum crucibles) for 3 to 12 hours to obtain homogeneity. The range of melting temperatures is from 1300 to 1500 ° C. After melting, the biologically active glass is soaked in water and ground in a ball mill to obtain a glass powder formed from particles having the desired dimensions. In general, it is best to have particles smaller than about 74 percent in size. The powder is then mixed with an organic binder (for example organic polymers such as a mixture of 20% polyvinyl acetate and 80% polyvinyl alcohol) and with a suitable organic solvent (for example toluene, acetone, xylene, etc.) to form a slurry. The amount of binder used depends on the particle size of the powder used. In general, larger particles require larger amounts of binder to obtain an adequate covering effect. The amount of solvent can be varied to control the viscosity of the mud and the thickness of the final coating.

En général, la boue contient environ 35 à 80% de poudre de verre, environ 1 à 10% de liant et environ 20 à 65% de solvant organique, tous ces pourcentages étant pondéraux. In general, the mud contains approximately 35 to 80% of glass powder, approximately 1 to 10% of binder and approximately 20 to 65% of organic solvent, all these percentages being by weight.

Le substrat en céramique à base d'Al203, qui doit être revêtu, est ensuite plongé dans la boue ou la boue est déposée au pinceau, ou encore pulvérisée sur le substrat. On laisse la couche de revêtement sécher parfaitement. The ceramic substrate based on Al 2 O 3, which must be coated, is then immersed in the mud or the mud is deposited with a brush, or else sprayed onto the substrate. The coating layer is allowed to dry perfectly.

Le substrat muni de la couche de revêtement est ensuite passé à la cuisson en suivant un planning permettant l'élimination du liant organique, suivi d'un ramollissement du verre et du soudage qui en résulte du verre avec le substrat par diffusion d'ions. La forte proportion d'alcalis dans le verre biologiquement actif est l'un des facteurs principaux qui permettent un bon soudage par diffusion entre la couche de revêtement et le substrat. Le verre revêtu est ensuite recuit pour libérer les contraintes mécaniques. The substrate provided with the coating layer is then baked following a schedule allowing the elimination of the organic binder, followed by a softening of the glass and the resulting welding of the glass with the substrate by ion diffusion. The high proportion of alkalis in biologically active glass is one of the main factors which allow good diffusion welding between the coating layer and the substrate. The coated glass is then annealed to release the mechanical stresses.

Si l'on emploie la composition A de verre biologiquement actif décrite précédemment et une céramique compacte à base d'Al203 ayant un coefficient de dilatation thermique de 50 à 75 x 10_7/°C, on met en œuvre le programme de cuisson représenté sur la fig. 1. Bien que la fig. 1 corresponde à une structure à deux couches de revêtement, l'homme de l'art comprend aisément que des couches successives de revêtement de verre biologiquement actif peuvent être appliquées en suivant le même programme de cuisson, selon les propriétés de surface désirées pour le système revêtu en résultant. La couche finale de revêtement en verre biologiquement actif sur la surface de la céramique compacte à base d'Al203 contient 0,475 mol de NaaO, 0,525 mol de CaO, 0,050 mol de P2Os et 0,900 mol de Si02 (composition normale en ce qui concerne les alcalis). If the composition A of biologically active glass described above and a compact ceramic based on Al 2 O 3 having a coefficient of thermal expansion of 50 to 75 × 10 -7 / ° C. are used, the firing program shown in the figure is implemented. fig. 1. Although fig. 1 corresponds to a structure with two layers of coating, the person skilled in the art readily understands that successive layers of coating of biologically active glass can be applied by following the same baking program, according to the surface properties desired for the system coated as a result. The final coating layer of biologically active glass on the surface of the compact Al203 ceramic contains 0.475 mol of NaaO, 0.525 mol of CaO, 0.050 mol of P2Os and 0.900 mol of Si02 (normal composition with regard to alkalis ).

La combinaison: 1) de la composition des verres (forte en alcalis, faible en silice) qui permet un taux de diffusion relativement élevé, et 2) des différents programmes de cuisson (temps et températures) qui permettent de fixer l'importance de la diffusion permet de commander la formation de microfissures dans la couche de base de revêtement en verre biologiquement actif. Le contrôle de ces deux variables permet également de régler le soudage par diffusion qui est finalement responsable du succès du processus de revêtement. The combination: 1) of the composition of the glasses (strong in alkalis, weak in silica) which allows a relatively high diffusion rate, and 2) different cooking programs (time and temperatures) which make it possible to fix the importance of the diffusion allows the formation of microcracks in the base layer of biologically active glass coating to be controlled. The control of these two variables also makes it possible to adjust the diffusion welding which is ultimately responsible for the success of the coating process.

La température à laquelle le système muni de son revêtement est susceptible de produire un soudage par diffusion d'ions dépend évidemment des compositions du verre particulier et de la céramique à base d'Al203 qui sont employées. D'une manière générale, on utilise de températures supérieures à 500° C, de préférence dans la gamme allant de 900 à 1400°C et de préférence encore dans la gamme de 1100 à 1350°C. The temperature at which the system provided with its coating is capable of producing an ion diffusion welding obviously depends on the compositions of the particular glass and of the ceramic based on Al 2 O 3 which are used. Generally speaking, temperatures above 500 ° C are used, preferably in the range from 900 to 1400 ° C and more preferably in the range from 1100 to 1350 ° C.

La première couche est appliquée de telle façon que son épaisseur finale aille environ de 25 à 100 p. Les couches de revêtement suivantes peuvent se situer dans la plage allant d'environ 50 à environ 400 |x. The first layer is applied in such a way that its final thickness ranges from about 25 to 100 percent. The following coating layers can be in the range of about 50 to about 400 µx.

Sur la fig. 1, le trait plein représente la première couche et le trait en pointillés la deuxième couche. Le palier I (par exemple de 2 h) représente la phase de recuit, et la région II le cycle de refroidissement. La fig. 2 montre l'exploration à l'aide d'une microsonde à électrons des quantités de sodium et d'aluminium dans la structure à une seule couche décrite précédemment. Le degré de soudage par diffusion apparaît bien du fait qu'on trouve de l'alumine dans le verre jusqu'à une profondeur de 200 (x (S représente la surface et J l'interface). In fig. 1, the solid line represents the first layer and the dotted line the second layer. Stage I (for example 2 hours) represents the annealing phase, and region II the cooling cycle. Fig. 2 shows the exploration using an electron microprobe of the amounts of sodium and aluminum in the single-layer structure described above. The degree of diffusion welding appears clearly from the fact that alumina is found in the glass up to a depth of 200 (x (S represents the surface and J the interface).

La fig. 3 montre l'exploration à l'aide d'une microsonde à électrons des quantités de sodium et d'aluminium dans la structure à double couche décrite précédemment Le fait que la seconde couche est largement soudée à la première couche vitreuse apparaît clairement du fait de l'intensité décroissante du signal correspondant à l'alumine dans la seconde couche du revêtement vitreux. Fig. 3 shows the exploration, using an electron microprobe, of the amounts of sodium and aluminum in the double-layer structure described above. The fact that the second layer is largely welded to the first vitreous layer appears clearly from the decreasing intensity of the signal corresponding to alumina in the second layer of the vitreous coating.

La fig. 4 montre la dépendance entre le taux de fatigue et la couche vitreuse de revêtement biologiquement actif comparée à une surface en A1203 non revêtue. Il est visible que la résistance à la fatigue du matériau revêtu est importante en comparaison de celle du substrat non revêtu. Fig. 4 shows the dependence between the fatigue rate and the vitreous layer of biologically active coating compared to an uncoated A1203 surface. It is visible that the fatigue resistance of the coated material is high in comparison with that of the uncoated substrate.

Comme indiqué précédemment, l'application d'une couche vitreuse ayant un coefficient de dilatation thermique plus élevé sur un substrat ayant un coefficient de dilatation plus faible produit des contraintes thermiques au moment du refroidissement. Ces contraintes peuvent être calculées en utilisant l'équation suivante: As indicated above, the application of a vitreous layer having a higher coefficient of thermal expansion on a substrate having a lower coefficient of expansion produces thermal stresses upon cooling. These constraints can be calculated using the following equation:

agi =E(T0 - T') (agi - ab) (1 - 3j + 6j2) agi = E (T0 - T ') (agi - ab) (1 - 3d + 6d2)

dans laquelle: in which:

épaisseur du verre ^ épaisseur du substrat agi = coefficient de dilatation thermique du verre E = module de Young ab = coefficient de dilatation thermique du substrat T0 = température de recuit agi = contraintes thermiques T' = température finale (température de la pièce 20°C) thickness of glass ^ thickness of substrate acted = coefficient of thermal expansion of glass E = Young's modulus ab = coefficient of thermal expansion of substrate T0 = annealing temperature acted = thermal stresses T '= final temperature (room temperature 20 ° C )

Dans l'exemple précédent utilisant la composition A: In the previous example using composition A:

j =0,02 j = 0.02

E = 56 x 108 daN/m2 agi = 100 x 10-7/°C ab = 50 x 10-7/°C T° =450°C T'= 20° C E = 56 x 108 daN / m2 acted = 100 x 10-7 / ° C ab = 50 x 10-7 / ° C T ° = 450 ° C T '= 20 ° C

En substituant ces paramètres dans l'équation précédente, la contrainte thermique est égale à 5,76 daN/m2. Par conséquent, il est clair que le taux de microfissures peut être calculé. Il dépend des compositions particulières employées et des programmes suivis de cuisson de revêtement et de recuit. By substituting these parameters in the previous equation, the thermal stress is equal to 5.76 daN / m2. Therefore, it is clear that the rate of microcracks can be calculated. It depends on the particular compositions used and the programs followed for coating and annealing cooking.

Les fig. 5 montrent le substrat en céramique revêtu lors des diverses étapes de sa réalisation. Figs. 5 show the ceramic substrate coated during the various stages of its production.

Sur la fig. 5a, pour laquelle la température est supérieure à 500°C, In fig. 5a, for which the temperature is above 500 ° C,

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

.40 .40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

627 723 627,723

le substrat 1 en céramique est recouvert par la première couche 2 en verre biologiquement actif. the ceramic substrate 1 is covered by the first layer 2 of biologically active glass.

Sur la fig. 5b, pour laquelle le système a été refroidi à la température de la pièce, des microfissures 3 apparaissent dans la couche de revêtement 2 en formant des îlots 4 de verre biologiquement actif soudés par diffusion d'ions sur le substrat 1 en céramique. In fig. 5b, for which the system has been cooled to room temperature, microcracks 3 appear in the coating layer 2 by forming islands 4 of biologically active glass welded by ion diffusion on the ceramic substrate 1.

La fig. 5c montre un substrat à base d'Al203 revêtu par une première couche de verre biologiquement actif qui comporte des microfissures, ce substrat revêtu étant recouvert par une deuxième couche 5 en verre biologiquement actif. Fig. 5c shows a substrate based on Al 2 O 3 coated with a first layer of biologically active glass which comprises microcracks, this coated substrate being covered by a second layer 5 of biologically active glass.

De tels substrats en céramique à base d'Al203 et munis d'un revêtement sont adaptés de façon idéale à la réalisation de prothèses 5 internes pour remplacer un os et ne nécessitant pas de ciment, ces prothèses présentant une résistance mécanique d'une intensité inhabituelle. De plus, les tissus biologiquement actifs sont capables d'adhérer sur ces prothèses. Such ceramic substrates based on Al 2 O 3 and provided with a coating are ideally suited to the production of internal prostheses to replace a bone and not requiring cement, these prostheses having a mechanical strength of an unusual intensity. . In addition, biologically active tissues are able to adhere to these prostheses.

R R

3 feuilles dessins 3 sheets of drawings

Claims (17)

627723 627723 2 2 REVENDICATIONS 1. Procédé pour revêtir la surface d'une céramique compacte à base d'Al203 avec un verre biologiquement actif, ladite céramique et ledit verre ayant des coefficients de dilatation thermique différents, le procédé se caractérisant en ce qu'il comprend les étapes suivantes: 1. Method for coating the surface of a compact ceramic based on Al 2 O 3 with a biologically active glass, said ceramic and said glass having different coefficients of thermal expansion, the method being characterized in that it comprises the following steps: — on met en contact le verre avec la surface de la céramique à une température et pendant un temps suffisants pour souder le verre sur la surface de la céramique par diffusion d'ions, The glass is brought into contact with the surface of the ceramic at a temperature and for a time sufficient to weld the glass to the surface of the ceramic by ion diffusion, — on refroidit le substrat revêtu jusqu'à une température suffisante pour produire des microfissures interconnectées dans le revêtement vitreux en conséquence des contraintes thermomécaniques induites par la différence des coefficients de dilatation thermique de ladite céramique et dudit verre, et The coated substrate is cooled to a temperature sufficient to produce interconnected microcracks in the vitreous coating as a consequence of the thermomechanical stresses induced by the difference in the coefficients of thermal expansion of said ceramic and said glass, and — on recouvre le revêtement vitreux comportant les microfissures avec au moins une couche supplémentaire d'un verre biologiquement actif. - The vitreous coating comprising the microcracks is covered with at least one additional layer of a biologically active glass. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 2. Method according to claim 1, characterized in that said biologically active glass has the following composition by weight: Si02 Si02 Na20 Na20 CaO CaO P2Os P2Os CaF2 CaF2 b2o3 b2o3 40-62% 10-32% 10-32% 3-9% 0-18% 0-7,5% 40-62% 10-32% 10-32% 3-9% 0-18% 0-7.5% la somme du NazO et du CaO étant supérieure à 30%. the sum of NazO and CaO being greater than 30%. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 3. Method according to claim 1, characterized in that the biologically active glass has the following weight composition: Si02 Na20 CaO P20s Si02 Na20 CaO P20s 45,0% 24,5% 24,5% 6,0% 45.0% 24.5% 24.5% 6.0% 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 4. Method according to claim 1, characterized in that the biologically active glass has the following composition by weight: Si02 Si02 Na20 Na20 CaO CaO p2os p2os CaF2 CaF2 42,94% 23,37% 11,69% 5,72% 16,26% 42.94% 23.37% 11.69% 5.72% 16.26% 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 5. Method according to claim 1, characterized in that the biologically active glass has the following composition by weight: Si02 Si02 NazO NazO CaO CaO p2o5 b2o3 p2o5 b2o3 40,0% 24,5% 24,5% 6,0% 5,0% 40.0% 24.5% 24.5% 6.0% 5.0% un solvant, un liant organique et une poudre de verre biologiquement actif, des particules constituant la poudre ayant des dimensions inférieures à 74 p. a solvent, an organic binder and a biologically active glass powder, particles constituting the powder having dimensions less than 74%. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il 11. Method according to claim 10, characterized in that it 5 comprend les étapes de sécher le substrat en céramique recouvert par la boue et de cuire le substrat revêtu afin d'enlever le liant organique. 5 includes the steps of drying the ceramic substrate covered by the mud and firing the coated substrate in order to remove the organic binder. 12. Produit obtenu par la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une céramique compacte à base d'A1203 dont la surface est revêtue d'au moins deux io couches d'un verre biologiquement actif ayant un coefficient de dilatation thermique différent de celui de ladite céramique. 12. Product obtained by implementing the method according to claim 1, characterized in that it comprises a compact ceramic based on A1203, the surface of which is coated with at least two layers of a biologically active glass having a coefficient of thermal expansion different from that of said ceramic. 13. Produit selon la revendication 12, caractérisé en ce que le verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 13. Product according to claim 12, characterized in that the biologically active glass has the following weight composition: 20 20 Si02 Na20 CaO P20 s CaF2 Si02 Na20 CaO P20 s CaF2 b2o3 b2o3 40-62% 10-32% 10-32% 3-9% 0-18% 0-7,5% 40-62% 10-32% 10-32% 3-9% 0-18% 0-7.5% la somme du Na20 et du CaO étant supérieure à 30%. the sum of Na 2 O and CaO being greater than 30%. 14. Produit selon la revendication 12, caractérisé en ce que le verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 14. Product according to claim 12, characterized in that the biologically active glass has the following composition by weight: 25 25 Si02 Na20 CaO P2Os Si02 Na20 CaO P2Os 45,0% 24,5% 24,5% 6,0% 45.0% 24.5% 24.5% 6.0% 15. Produit selon la revendication 12, caractérisé en ce que le 30 verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 15. Product according to claim 12, characterized in that the biologically active glass has the following composition by weight: 35 35 Si02 Si02 Na20 Na20 CaO CaO P2Os P2Os CaF2 CaF2 42,94% 23,37% 11,69% 5,72% 16,26% 42.94% 23.37% 11.69% 5.72% 16.26% 16. Produit selon la revendication 12, caractérisé en ce que le verre biologiquement actif a la composition pondérale suivante: 16. Product according to claim 12, characterized in that the biologically active glass has the following weight composition: 40 40 Si02 Si02 Na20 Na20 CaO CaO p2o5 b2o3 p2o5 b2o3 40,0% 24,5% 24,5% 6,0% 5,0% 40.0% 24.5% 24.5% 6.0% 5.0% 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface de la céramique a un coefficient de dilatation thermique de 0 à 1000°C compris dans la gamme 50 x 10-7 à 75 x 10_7/°C et en ce que ledit verre a un coefficient de dilatation thermique de 0 à 1000°C compris dans la gamme 95 x 10-7 à 6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the surface of the ceramic has a coefficient of thermal expansion from 0 to 1000 ° C included in the range 50 x 10-7 to 75 x 10_7 / ° C and in that said glass has a coefficient of thermal expansion from 0 to 1000 ° C in the range 95 x 10-7 to 145x 10_7/°C. 145x 10_7 / ° C. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque couche de revêtement est recuite. 7. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that each coating layer is annealed. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit verre est soudé sur la surface de ladite céramique à une température supérieure à 500° C. 8. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that said glass is welded to the surface of said ceramic at a temperature above 500 ° C. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite céramique dont la surface est munie d'un revêtement vitreux est refroidie pour produire des microfissures dans ledit revêtement ayant une largeur inférieure à 1 (i. 9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that said ceramic whose surface is provided with a glassy coating is cooled to produce microcracks in said coating having a width less than 1 (i. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit verre est mis en contact avec la surface de ladite céramique en recouvrant la surface de la céramique avec une boue comprenant 10. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that said glass is brought into contact with the surface of said ceramic by covering the surface of the ceramic with a mud comprising 45 17. Produit selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que la surface de ladite céramique a un coefficient de dilatation thermique de 0 à 1000°C compris dans la gamme allant de 50 x 10~7 à 75 x 10~7/°C et en ce que ledit verre a un coefficient de dilatation thermique de 0 à 1000°C compris dans la gamme allant de 95 x 10~7 50 à 145 x 10-7/°C. 45 17. Product according to one of claims 12 to 16, characterized in that the surface of said ceramic has a coefficient of thermal expansion from 0 to 1000 ° C included in the range from 50 x 10 ~ 7 to 75 x 10 ~ 7 / ° C and in that said glass has a coefficient of thermal expansion from 0 to 1000 ° C included in the range from 95 x 10 ~ 7 50 to 145 x 10-7 / ° C. 18. Utilisation du produit obtenu par la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 pour la réalisation d'une prothèse interne apte à remplacer au moins une partie d'un os et ne nécessitant pas de ciment. 18. Use of the product obtained by the implementation of the method according to claim 1 for the production of an internal prosthesis capable of replacing at least part of a bone and not requiring cement. 55 55
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