FR2601699A1 - Procede pour la production d'un materiau composite revetu d'un phosphate de calcium - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LA FABRICATION D'UN MATERIAU COMPOSITE PORTANT UN REVETEMENT D'UN PHOSPHATE DE CALCIUM. DANS LE PROCEDE SELON L'INVENTION, ON FORME UNE COUCHE DE REVETEMENT D'UN PHOSPHATE DE CALCIUM SUR LA SURFACE D'UN SUPPORT METALLIQUE EN APPLIQUANT SUR LA SURFACE DUDIT SUPPORT METALLIQUE UNE SOLUTION AQUEUSE D'ACIDE NITRIQUE CONTENANT EN DISSOLUTION DE L'HYDROXYAPATITE ET ENSUITE ON CALCINE LEDIT SUPPORT REVETU A UNE TEMPERATURE DE 300C OU PLUS. APPLICATIONS : PRODUCTION D'IMPLANTS TELS QU'OS OU RACINES DENTAIRES ARTIFICIELS.
Description
La présente invention concerne un procédé pour la production d'un matériau
composite formé d'un support métallique tel que titane, alliage de titane ou acier inoxydable, qui est revêtu par un phosphate de calcium ayant une affinité particu5 lièrement bonne pour les tissus osseux ou les dents. Le matériau composite produit par le procédé de l'invention est intéressant pour les implants (par exemple os, dentures et racines de dents
artificiels) et les ciments pour ces implants.
Les implants biocompatibles tels qu'os et racines 10 de dents artificiels ont attiré de plus en plus l'attention des chercheurs parce que lorsqu'il y a des fractures d'os ou pertes de dents résultant d'accidents ou de toute autre raison, ces implants peuvent être fixes à l'os restant ou implantés dans la mandibule inférieure ou supérieure de manière à restaurer l'os 15 ou la dent perdue et permettre au patient de continuer une vie confortable. Outre qu'ils ne sont pas toxiques pour l'homme, ces implants qui sont destinés à être mis en place dans l'organisme doivent satisfaire de nombreuses autres exigences rigoureuses, par exemple ils doivent avoir une résistance élevée et une bonne usi20 nabilité, ne pas se dissoudre, avoir des valeu.rs appropriées de
densité et une bonne biocompatibilité.
On a utilisé jusqu'à présent comme implants des métaux tels que métaux nobles, des alliages métalliques teLs qu'aciers inoxydables et des céramiques telles qu'alumine a, mais ces produits 25 ont au moins l'un des inconvénients suivants: ils sont toxiques, ils ont une mauvaise résistance, ne sont pas usinables et sont sujets à la dissolution. En outre, ils ont un problème commun, à
savoir l'absence de biocompatibilité.
On a récemment proposé des céramiques d'apatite 30 comme implants pour résoudre le problème de la biocompatibilité.
Les composants inorganiques des os et des dents sont des phosphates de calcium (principalement l'hydroxyapatite) et les composants
principaux des céramiques d'apatite sont également des phosphates de calcium. En conséquence, les céramiques d'apatite ont une très 35 bonne affinité pour les os et les dents et garantissent une intégration très satisfaisante dans le corps humain après leur implan-
tation. Cependant, l'utilisation de ces céramiques d'apatite est actuellement très limitée car ils ont des défauts sembLables à ceux des matériaux précédemment mis au point, tels qu'une faible
résistance et une mauvaise usinabilité.
Afin de résoudre tous Les problèmes décrits ci-dessus, on souhaite fortement mettre au point des matériaux composites de métal ou de céramique doués de biocompatibilité par application
de revêtements d'apatite sur la surface de métaux ou de céramiques.
Dans ce but, des techniques de liaison métal-céramique ou céramique10 céramique sont nécessaires mais la pulvérisation de plasma est la seule technique connue jusqu'à présent pour effectuer ce type de liaison ou collage. Malgré son intérêt pour La liaison métalcéramique ou céramiquecéramique, la technique de pulvérisation de plasma a les inconvénients suivants: il est extrêmement difficile 15 de former un revêtement uniforme sur toute la surface d'une matière ayant une forme compliquée; la technique est intrinsèquement incapable de former un revêtement qui recouvre toute la surface d'une matière poreuse; elle exige l'utilisation d'un appareillagecoûteux; elle ne permet pas l'utilisation efficace de particules 20 d'apatite coûteuses dans-les revêtements; et elle ne produit pas toujours une liaison solide entre le revêtement d'apatite et le support. En conséquence, un objet de la présente invention est de proposer un procédé pour la fabrication d'un matériau com25 posite utilisant comme support le titane, un alliage de titane, un acier inoxydable ou analogues. Le matériau composite produit par ce procédé a une bonne usinabilité, une résistance mécanique appropriée et une affinité améliorée pour les tissus osseux et
autres parties du corps humain et convient donc pour l'utilisation 30 comme os et racines dentaires artificiels et pour d'autres implants.
L'objet ci-dessus de la présente invention peut être atteint par un procédé pour la fabrication d'un matériau composite revêtu d'un phosphate de calcium, dans lequel une couche de revêtement d'un phosphate de calcium est formée sur la surface 35 d'un support métallique par revêtement de la surface du support métallique avec une solution aqueuse d'acide nitrique contenant de l'hydroxyapatite dissoute et, ensuite, calcination du support revêtu à une température de 300 C ou plus. Le principal intérêt de la présente invention est que l'on peut facilement obtenir par pyrolyse un support métallique ayant une couche de revêtement d'un phosphate de calcium fortement cristallisé qui est principalement composé d'hydroxyapatite. La présente invention propose un procédé par lequel on produit un matériau composite revêtu d'un phosphate de calcium qui convient pour l'utilisation comme os artificiels, 10 racines dentaires et autres implants. Dans le procédé selon l'invention, on applique une solution aqueuse d'hydroapatite dans l'acide nitrique sur un support métallique formé de titane, d'un
alliage de titane, d'un acier inoxydable, etc. et on calcine ensuite le support pour former une couche de revêtement d'un 15 phosphate de calcium principalement composé d'hydroxyapatite.
Selon le procédé de l'invention, on produit un matériau composite ayant une biocompatibilité élevée et qui se fixe fortement aux
os ou autres tissus humains.
Le terme "phosphate de calcium" utilisé dans la 20 présente invention désigne principalement l'hydroxyapatite; il englobe également le phosphate tricalcique, l'hydrogénophosphate de calcium et le dihydrogénophosphate de calcium qui seraient formés comme sous-produits lorsque l'hydroxyapatite est calcinée dans le procédé de l'invention, ainsi que d'autres composés à base de phosphate de calcium qui sont formés par la réaction entre
l'hydroxyapatite et les impuretés ou certains composants du support.
Des exemples de métaux utilisés dans l'invention comprennent le titane, les alliages de titane et l'acier inoxydable ou les analogues, qui sont tous stables dans le corps humain. Le 30 titane désigne le titane métallique et des exemples d'alliages de titane sont ceux qui contiennent des éléments d'alliage tels que Ta, Nb, les métaux du groupe du platine, Al et V. Le terme "acier inoxydable ou analogues" couvre non seulement l'acier inoxydable tels que SUS 304, SUS 310 et SUS 316 indiqués dans les normes 35 industrielles japonaises (JIS) mais également d'autres alliages résistants à la corrosion tels que des alliages Co-Cr qui conviennent pour l'impLantation dans le corps humain. Le support métalLique constitué de L'un de ces matériaux métalliques peut avoir une surface lisse s'il est sous La forme d'une feuille ou d'une tige, ou une surface poreuse s'iL est sous une forme spon5 gieuse. Le support peut aussi être sous La forme d'une toile en métal déployé ou d'une feuille poreuse. Les matériaux métalliques mentionnés ci-dessus sont utilisés comme supports parce qu'ils ont une résistance mécanique élevée satisfaisante, en comparaison avec la céramique ou le verre fritté,et parce qu'ils sont faciles 10 à usiner. Si on le désire, on peut obtenir un support ayant une affinité améliorée pour les phosphates de calcium en nettoyant sa surface pour éliminer les impuretés par lavage à l'eau, par des acides, par les ultrasons, par la vapeur ou par tout autre agent de nettoyage convenable. De plus, la surface du support peut 15 être rendue rugueuse par traitement de grenaillage et/ou par décapage pour donner une affinité améliorée pour les phosphates de calcium et également pour activer la surface du support. Le
décapage peut être effectué non seulement par des techniques chimiques, mais par des techniques physiques comme la pulvérisation 20 cathodique.
Après un traitement de surface approprié comme décrit ci-dessus, La surface du support est revêtue avec une solution aqueuse d'acide nitrique contenant de l'hydroxyapatite dissoute ou qui est de préférence saturée par-l'hydroxyapatite, par n'importe 25 quelle technique classique telle qu'immersion ou pulvérisation ou en utilisant une brosse ou une machine à enduire. Le support revêtu est ensuite calciné pour produire une couche de revêtement fortement liée au métal de supportIl est souhaitable d'utiliser une solution aqueuse 30 concentrée d'acide nitrique car la solubilité de l'hydroxyapatite augmente avec la concentration de L'acide nitrique. Une solution aqueuse à 12 % d'acide nitrique dissout environ 1, 5 g d'hydroxyapatite par 10 ml de solution et une solution à 25 % dissout environ 3 g d'hydroxyapatite par 10 mi de solution. Si la concentration 35 de l'acide nitrique est de 60 %, la solution dissout 7 g ou plus d'hydroxyapatite par 10 ml pour produire une solution fortement visqueuse. Une solution aqueuse à moins de 10 % d'acide nitrique peut dissoudre l'hydroxyapatite,mais seulement en quantité si faible qu'il faut effectuer des applications répétéesde la solution aqueuse d'acide nitrique afin de produire une couche de revê5 tement d'un phosphate de calcium ayant l'épaisseur désirée. Afin d'assurer une opération de revêtement efficace, il est souhaitable de régler la concentration d'acide nitrique dans la solution de revêtement à au moins 10 % afin de pouvoir réduire le nombre nécessaire de cycles de revêtement et de calcination. Il est souhaitable 10 que la solution d'acide nitrique soit saturée d'hydroxyapatite pour atteindre les deux buts suivants: augmenter au maximum le dépôt de revêtement qui peut être formé par une seule calcination; et produire un degré élevé de cristallinité dans la couche de revêtement. Dans la présente invention, l'hydroxyapatite est choisie comme composé à dissoudre dans la solution de revêtement pour l'application sur le support et elle est dissoute dans une solution aqueuse d'acide nitrique; ceci a pour but de produire une couche de revêtement qui est principalement composée d'hydroxy20 apatite fortement biocompatible et cristalline et qui est solidement liée au support métallique. D'autres raisons pour utiliser une solution aqueuse d'acide nitrique comme solvant pour la solution de revêtement sont les suivantes: l'acide nitrique dissout fortement l'hydroxyapatite; et le pouvoir oxydant de l'acide nitrique produit la passivation de la surface du support métallique et réduit ainsi au minimum la corrosion possible du support de manière à former un revêtement d'un phosphate de calcium solidement
lié au support.
Lorsque la solution aqueuse d'hydroxyapatite dans 30 l'acide nitrique qui a été appliquée sur le support métallique est calcinée, l'hydroxyapatite est précipitée sur la surface du support sous la forme d'un phosphate de calcium qui est principalement composé d'hydroxyapatite. La valeur optimale de la température de calcination varie avec la concentration de l'acide nitrique et la température optimale pour la calcination du support est d'autant plus élevée que la concentration d'acide nitrique
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est plus élevée. Une gamme préférée de températures de calcination est de 300 à 800 C. Si la température de calcination est inférieure à 300 C, la couche de revêtement de phosphate de calcium résultante a une résistance insuffisante et donne une liaison inadéquate au support. Si la température de calcination dépasse 800 C, la surface du support métallique subit une oxydation trop rapide pour produire un revêtement de phosphore de calcium adhérant fortement. Les températures optimales de calcination varient de 350 à 500 C si la solution de revêtement a une concentration 10 d'acide nitrique de 10 % et de 450 à 700 C si la concentration
d'acide nitrique est de 60 %.
Le support métallique sur lequel on a appliqué la solution de revêtement peut être calciné en atmosphère oxydante, par exemple l'air, mais pour éviter l'oxydation thermique du support et donner un matériau composite ayant un meilleur aspect final, la calcination du support est effectuée de préférence en
atmosphère inerte, par exemple dans l'argon, ou dans le vide.
Même si la calcination est mise en oeuvre dans ces conditions inertes, des gaz de décomposition se dégagent pendant le chauf20 fage et provoquent une légère oxydation de la surface du support dans les zones non revêtues. Cependant, le film d'oxyde qui s'est éventuellement formé dans ces zones peut facilement être éliminé
par polissage chimique ou d'autres techniques appropriées.
On peut former sur la surface du support métallique 25 par les modes opératoires décrits ci-dessus une couche de revêtement d'un phosphate de calcium qui est principalement composé d'hydroxyapatite. Si l'épaisseur du revêtement qui est obtenue en un seul cycle d'opérations de revêtement et calcination est
insuffisante, ce cycle peut être répété jusqu'à ce que l'on obtienne 30 l'épaisseur désirée.
Dans le procédé de la présente invention, la solution de revêtement,dans laquelle l'hydroxyapatite est dissoute, est appliquée sur la surface d'un support métallique qui est ensuite calciné pour précipiter un phosphate de calcium à base 35 d'hydroxyapatite à partir de la solution de revêtement. Donc, le procédé de l'invention est applicable à des supports de n'importe quelle forme et une couche de revêtement uniforme du phosphate de calcium peut être formée sur toute la surface du support même
s'il est poreux.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans 5 toutefois en Limiter la portée. Tous les pourcentages, rapports,
etc. s'entendent en poids sauf autre indication.
Exemple 1
On ajoute lentement en agitant environ 3 g d'hydroxyapatite Ca10(P04)6(OH) 2 en poudre à 10 g d'une solution aqueuse 10 d'acide nitrique à 25 % pour préparer une solution de revêtement
qui est saturée d'hydroxyapatite.
On découpe des échantillons de 40 mm de long et 20 mm de large dans une tôle laminée d'acier inoxydable SUS 316 L de 1 mm d'épaisseur et on décape la surface par grenaillage avec du corindon 15 n 70. Les échantillons sont ensuite décapés par immersion dans
une solution aqueuse de FeCL3 à 30 % à 25 C pendant 4 minutes.
Certains des échantillons décapés sont revêtus sur une face par la solution de revêtement décrite ci-dessus et immédiatement séchés à 60 C pendant 20 minutes dans un courant d'argon, 20 puis calcinés à 500 C pendant 10 minutes en atmosphère d'argon.
Lorsque l'on effectue 2 cycles de revêtement et calcination, il se forme une couche de revêtement blanche sur la surface de chacun des échantillons traités. L'identification par diffraction des rayons X produit un fort pic de diffraction qui 25 est attribué à l'hydroxyapatite et l'on trouve que la couche de revêtement résultante est composée d'hydroxyapatite fortement cristalline. Le reste des échantillons d'acier inoxydable est soumis au même traitement que décrit ci-dessus, sauf que le courant 30 d'argon est remplacé par de l'air. Dans ce cas, il se produit une coloration indésirable en raison de l'oxydation du support d'acier inoxydable et l'on doit effectuer 16 cycles de revêtement et calcination pour atteindre une blancheur satisfaisante de la couche de revêtement. L'analyse par diffraction des rayons X montre que 35 cette couche de revêtement est également composée d'hydroxyapatite
fortement cristalline.
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Exemple 2
On ajoute lentement de la poudre d'hydroxyapatite à des solutions aqueuses d'acide nitrique de concentrations variabLes à 25 C en agitant de manière à préparer quatre solutions de revêtement qui sont saturées d'hydroxyapatite comme indiqué
dans le tableau I ci-dessous.
On découpe des échantillons de 40 mm de long et 20 mm de large dans une tôle laminée d'acier inoxydable SUS 316L de 1 mm d'épaisseur et l'on décape leur surface par grenaillage 10 avec du corindon n 70. On nettoie ensuite Les échantillons par immersion dans une solution aqueuse de FeCL3 à 30 % à 25 C pendant
4 minutes.
Tableau I
Solution de Concentration Hydroxyapatite dans 10 g revêtement n de HNO3 de solution aqueuse de HNO3 1 5 % environ 0,6 % 2 12 % environ 1,5 % 3 25 % environ 3,0 % 4 35 % environ 4,0 g Chacun des échantillons d'acier inoxydable est revêtu sur une face avec l'une des quatre solutions de revêtement et immédiatement séché à 60 C pendant 20 minutes dans un courant d'argon,puis calciné en atmosphère d'argon. On utilise des températures différentes pour calciner les échantillons revê25 tus avec des solutions de revêtement différentes. Les nombres de cycles de revêtement et calcination qu'il faut effectuer pour atteindre des couches de revêtement ayant un degré satisfaisant de blancheur sont également différents pour chaque solution de
revêtement. Les résultats obtenus sont indiqués dans le tableau II 30 cidessous.
Tableau II
Solution de Température de Nombre de cycles de revêrevêtement n calcination tement et calcination ( C)
I 350-420 14
2 400-450 7
3 470-500 3
4 500-600 2
IL est clair que les températures nécessaires pour 10 la calcination augmentent avec la concentration d'acide nitrique dans les solutions de revêtement, mais le nombre de cycles de
revêtement et calcination nécessaires diminue.
Exemple 3
On prépare une solution de revêtement en ajoutant 15 lentement environ 4 g de poudre d'hydroxyapatite à 10 g d'une solution aqueuse bien agitée d'acide nitrique à 35 % et on la
conserve à 25 C.
On découpe des échantillons de 40 mm de long et 20 mm de large dans une tôle de titane laminée (JIS type 1) de 20 1 mm d'épaisseur et on décape leur surface par grenaillage avec une grenaille d'acier n 80, puis on les plonge dans une solution aqueuse à 25 % d'acide nitrique, à 90 C pendant 30 minutes. On applique sur les échantillons traités un mélange intime de 5 g d'une poudre de titane en particules sphériques (250-350 pm) , 25 0,05 g de poudre de titane (grosseur de particules: 10 pm ou moins) et 2 ml d'une solution aqueuse à 5 % d'alcool polyvinylique (degré de polymérisation: 500), de manière à superposer 2 ou 3 couches des particules sphériques de titane sur chaque support. On sèche les échantillons revêtus à 60 C pendant 20 mi30 nutes, on chauffe à 1 250 C à une vitesse de 2 C par minute et sous une pression de pas plus de 1,33 mPa (10-5 mmHg), on maintient
à 1 250 C pendant 30 minutes et on refroidit dans le four.
Les feuilles de titane résultantes ayant une surface poreuse sont plongées dans une solution aqueuse à 15 % d'acide nitrique à 60 C pendant I heure, lavées à fond par l'eau
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et séchées. Apres immersion dans la solution de revêtement décrite cidessus, les feuilles de titane sont immédiatement centrifugées à 1 000 tr/min pour éliminer L'excès de solution. Immédiatement après, on sèche les feuilles de titane pendant 1 heure dans un courant d'argon et on les calcine à 550 C pendant 10 minutes en atmosphère d'argon. Lorsqu'oneffectue un cycle supplémentaire de revêtement et calcination, il se forme une couche de revêtement blanche sur la surface de chaque échantillon. L'identification par analyse aux rayons X montre que cette couche de revête10 ment est formée d'hydroxyapatite fortement cristalline. L'observation de la section droite de chaque échantillon au microscope électronique montre que, bien que sa surface soit uniformément recouverte par la couche de revêtement d'hydroxyapatite, les particules sphériques individuelles de titane dans le support ne 15 sont pas reliées par la couche d'hydroxyapatite et qu'il subsiste des vides ayant un diamètre maximal d'environ 200 pjim entre les
particules sphériques de titane voisines.
Les avantages offerts par la présente invention peuvent être résumés de la manière suivante: 1) Le matériau composite produit par le procédé de la présente invention utilise comme support du titane, des alliages
de titane ou des aciers inoxydables résistants à la corrosion, de sorte qu'il peut être utilisé comme os ou racines dentaires artificielsqui sont non seulement inoffensifspour l'organisme humain 25 mais également stablesavec une possibilité minime de dissolution.
En outre, ce matériau composite possède une résistance mécanique
satisfaisante et peut être facilement usiné.
2) Le matériau composite produit par le procédé de l'invention porte un revêtement de phosphate de calcium à base 30 d'hydroxyapatite formé sur la surface du support métallique, de sorte qu'il a une biocompatibilité suffisante pour être lié facilement,mais aussi de manière fiable,aux os et autres tissus du
corps humain.
3) Dans le procédé de la présente invention, on 35 fait précipiter d'une solution aqueuse d'hydroxyapatite dans l'acide nitrique un phosphate de calcium qui est principalement composé d'hydroxyapatite. Donc, on peut former sur le support une couche de revêtement uniforme de phosphate de calcium,quelle que puisse être sa forme. En outre, le phosphate de calcium peut être
efficacement utilisé pour formersur le support un revêtement forte5 ment cristallin,et par conséquent de haute qualité.
4) La couche de revêtement proprement dite a une résistance satisfaisante puisqu'elle est principalement constituée d'hydroxyapatite fortement cristalline. Cette caractéristique, combinée avec la biocompatibilité accentuée de l'hydroxyapatite, 10 conduit à un perfectionnement remarquable de la fonction du matériau composite comme implant destiné à l'utilisation dans le corps humain. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés décrits ci-dessus à titre 15 d'illustration et que l'homme de l'art pourra y apporter des
modifications sans sortir du cadre de l'invention.
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R EV E N D I C A T I 0 N S
1. Procédé pour la fabrication d'un matériau composite revêtu d'un phosphate de calcium, caractérisé en ce que l'on forme une couche de revêtement d'un phosphate de calcium sur la surface d'un support métallique en appliquant sur la surface dudit support métallique une solution aqueuse d'acide nitrique contenant en dissolution de l'hydroxyapatite et ensuite on calcine ledit support revêtu à une température de 300 C ou plus. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que ledit support métallique est en titane ou l'un de ses 10 alliages.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support métallique est en acier inoxydable ou en
alliage cobalt-chrome.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que ladite solution aqueuse d'acide nitrique a une concentration d'acide nitrique d'au moins 10 %.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en
ce que le support est calciné en atmosphère inerte ou sous vide.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue plus d'une fois le cycle des opérations de
revêtement et calcination.
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