Ciments Phosphocalciques C. Rey

8h45-9h00 Ciments Phosphocalciques C. Rey

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1. Ciments Phospho-calciques Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT) UMR CNRS 5085, Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques Institut National Polytechnique de Toulouse 118 route de narbonne, 31077 Toulouse Cedex e-mail : Christian.Rey@ensiacet.fr Christian REY, Christèle COMBES
2. Types de ciments Ca-P • Ciments "Apatite" • Réaction acide-base Composants acides : MCP, DCPD, OCP, Acide phosphorique Composants basiques : TTCP, Carbonate de Ca, Hydroxyde de Ca Composants neutres : α ou β-TCP, apatites • Transformation de phase Ciments monocomposant : Phosphate de Ca amorphe (ACP) α-TCP • Ciments "Brushite" Acide-base uniquement, pH de prise acide ACP : phosphate tricalcique amorphe, DCPD : phosphate dicalcique dihydraté, DCPA : phosphate dicalcique anhydre, HA : hydroxyapatite, MCP : phosphate monocalcique, TCP : phosphate tricalcique (alpha ou beta), TTCP : Phosphate tétracalciwue,
3. Exemples de ciments “Apatite” A
4. Exemples de ciments “Brushite” A ACP : Phosphate tricalcique amorphe, DCPD : Phosphate dicalcique dihydraté, DCPA : Phosphate dicalcique anhydre, HA : hydroxyapatite, MCP : Phosphate monocalcique, TCP : phosphate tricalcique (alpha ou beta), TTCP : Phosphate tétracalciwue,
5. Caractéristiques • Communes : • Prise rapide (15-40 minutes) • Ostéoconduction • Microporosité • Faible exothermicité • Spécifiques à un type de ciment • Injectabilité • Propriétés mécaniques (3-80 MPa) • Résorbabilité variable (quelques mois à plusieurs années) Tous les ciments minéraux ne sont pas conçus pour une utilisation en vertébroplastie et cyphoplastie
6. Prise • Ciments multicomposants hydrolyse des constituants réaction acide-base germination et croissance d'apatite ou de brushite • Monocomposants hydrolyse germination et croissance d'apatite Formation de cristaux enchevêtrés
7. Problèmes spécifiques • Injectabilité • Wash-out • Opacifiant • Biorésorption • Propriétés mécaniques
8. Injectabilité Suspension aqueuse « filter press effect » Éjection préférentielle de la phase aqueuse, augmentation de la viscosité et blocage de l’injection. Solutions : Contrôle de la taille des particules Additifs Rapport solide/liquide (modification des caractéristiques du ciment) Diamètre de l’aiguille E. Berguera et al. J. Biomat. Res. B (2008) 84B, 493-502
9. Wash out • Dispersion au cours de l'injection Si la viscosité du ciment est inférieure à celle du milieu dans lequel il est injecté • Désagrégation au contact des fluides biologiques Liée à la dilution par les fluides biologiques (spécifique aux ciments minéraux) Solutions : Contrôle de la viscosité (taille des particules, additifs, rapport solide/liquide) Application plus sure en kyphoplastie
10. Opacifiant Eléments constitutifs plus lourds que dans les ciments polymères, mais absorption des RX proche de l'os Solutions: Opacifiant : Biorésorbables Additifs biocompatibles (sels de strontium) Apport bénéfique possible du Sr
11. Biorésorption Facteurs influants : - porosité - cristallinité de la phase minérale finale - masse Solution : Ajouter une macroporosité, ou des additifs résorbables Inhibiteurs de croissance cristalline (mais modifications des caractéristiques du ciments)
12. Propriétés mécaniques Bonne résistance à la compression pour certains ciments, mais mauvaise résistance à la traction (pour tous) Solutions : Augmenter le rapport solide/solution (mais modifications des caractéristiques du ciments) Ciments composites minéral/organique
13. Autres problèmes • Acidité initiale (fragilisation de parois osseuses avec la pression d’injection) • Fuites
14. • Différence fondamentale avec les ciments polymères • Milieu aqueux • Biorésorption • Fort potentiel de développement • Addition de facteurs de croissance, antibiotiques Conclusion
16. Physical-chemical characteristics and mechanical strength
17. Physical-chemical characteristics and bioresorption rate
18. • ACP 50 % , DCPD 50% • Paste 0.8 ml/g • Hydrolysis of ACP (slow endothermic) • Crystallization (fast exothermic) • Nucleation and growth of apatite on DCPD crystals • Hydrolysis of DCPD (very slow) 20 minutes 24 hours α−BSM
19. 0 25.0000 50.0000 75.0000 100.0000 1 10 100 1000 10000 Apatite/DCPD (weight %) Time (mn) ACP DCP α−BSM Setting reaction
20. 0 1.25 2.50 3.75 5.00 0 15 30 45 60 load (kg) time (mn) 20 °C Linear.(20 °C) 28 °C Expon.(28 °C) 34 °C Expon.(34 °C) 37 °C Expon.(37 °C) α−BSM Setting time/temperature
21. Ca8.5 Mg0.1 (PO4 )4.6 (HPO4 )1.3 (CO3 )0.1 (OH)0.6 Chemical Composition Ca8.3 Mg 0.2 (PO4 )4..3 (HPO4 ,CO3 )1.7 (1/2 CO3 ,OH)0.3 Bone Composition Length : 262 Å and Width : 83 Å. Crystals dimensions : Human bone (Children’s bones 4-18 years) : Length : 230-320 Å ; Width 65-80 Å) α−BSM Final phase
22. 0 0.0750 0.1500 0.2250 0.3000 CementHum Bone Mac Bone IR band area ratio OH LPO4 L HPO4 Ap HPO4 Final phase, IR characteristics α−BSM
23. Characteristics of bone cements • Facilitate repair process • Bone bonding ability • The problem of bone remodelling • Biodegradation • Biomechanics • Facilitate the surgical action      
24. Progresses to be made in bone cements • Control of porosity (porous cement, heterogeneous cement with dissolving phase) • Chemical composition (lower Ca/P ratio, more carbonate, more labile species) • Improve strength (organic components) • Improve bone healing (trace elements, growth factors, cells) r
25. Coatings • High temperature (plasma spray) • Ion sputtering • Low temperature, aqueous Aim : improve bone repair establish a good bone-implant interface short term long term
26. Plasma sprayed coatings Decomposition of HA : • relatively soluble phase (CaO, Ca CO3 , Ca(OH)2 , amorphous Ca-P) • weakly soluble phases (α− and β−TCP, TTCP) • Insolble phases (HA, Oxyapatite) Multiphasic compound Partial biodegradation Weak metal-apatite interface Detachment from the metal
27. Grain heterogeneity Inner Surface Temperature • I : highly decomposed zone (amorphous phase and CaO) • II: partly decomposed zone (TTCP, TCP, Oxyapatite) • III : non-decomposed HA CaO weakens the coating CaO + H2 O Ca(OH)2 40% expansion: cracks
28. Dilema of coatings High solubility favors cell activity but reduces the bone-interface stability Double coating : stable inner layer, high solubility surface
29. Proposal Inner layer : Fluorhydroxyapatite Ca10 (PO4 )6 F OH • The least soluble apatite • More thermal stability than HA
30. Metal-coating interface Improvement of the metal apatite interface Less CaO
31. Low temperature coatings Use of supersaturated solutions : • release of ions (Kokubo, glass) • electrolysis (cathodic deposition) • pH variation, temperature variation (de Groot) NS-HA, DCPD... high biodegradation short term effect . HA low biodegradation long term effect
32. • Facilitate repair process • Bone bonding ability • Coating-substrate interface • The problem of bone remodelling • Biodegradation (surface layer and inner layer) • Biomechanics (na) • Facilitate the surgical action (na) Characteristics of coatings     
33. Progresses to be made • Coatings of porous surfaces • Improvement of the coating-substrate interface • Control of bioresorption • Improvement of bone formation (trace elements, growth factors, cells)
34. Conclusion Les biocéramiques sont encore relativement peu utilisée et leur marché va se développer. Leur association avec des ion, des molécules biologiquement actives est une voie potentielle de développement. Leur association avec des cellules (souches) et des extraits plaquettaires est une voie de développement qui leur permettrait de rivaliser avec les autogreffes. Le rapport coût/avantage doit être rigoureusement évalué.