Revêtements verre-céramique nanostructurés pour applications orthopédiques - Partie 1

Revêtements verre-céramique nanostructurés pour applications orthopédiques

Guocheng Wang1, Zufu Lu 1 , Xuanyong Liu 2 , Xiaming Zhou 2 ,

Chuanxian Ding 2 et Hala Zreiqat 1 , *

1 unité de recherche en biomatériaux et génie tissulaire, École d’AMME,

Université de Sydney, Sydney 2006, Australie

2 Institut de céramique de Shanghai, Académie chinoise des sciences, Shanghai 200050,

les gens de la République de Chine


Les vitrocéramiques ont beaucoup attiré l'attention dans le domaine biomédical, car ils offrent de grandes possibilités de manipuler leurs propriétés par des post-traitements, notamment la résistance, le taux de dégradation et le coefficient de dilatation thermique. Dans ce travail, des revêtements verre-céramique de type hardystonite (HT; Ca2ZnSi2O7) et sphène (SP; CaTiSiO5) avec des nanostructures ont été préparés par une technique de pulvérisation au plasma utilisant des poudres classiques. La force de liaison et la dureté Vickers pour les revêtements HT et SP sont supérieures aux valeurs rapportées pour les revêtements d'hydroxyapatite pulvérisés au plasma. Les deux types de revêtements libèrent des ions bioactifs de calcium (Ca) et de silicium (Si) dans le milieu ambiant. Un test de minéralisation dans un milieu de culture acellulaire a montré que de nombreux composés de calcium et de phosphore en forme de champignon se formaient sur les revêtements HT au bout de 5 h, ce qui suggère une forte capacité de minéralisation acellulaire. Les ostéoblastes humains primaires se fixent, se propagent et prolifèrent bien sur les deux types de revêtements. Un taux de prolifération plus élevé a été observé sur les revêtements HT par rapport aux revêtements SP et à l’alliage Ti-6Al-4V non revêtu, probablement en raison des ions zinc libérés par les revêtements HT. Des niveaux d'expression plus élevés de Runx2, d'ostéopontine et de collagène de type I ont été observés sur les deux types de revêtements par rapport à l'alliage Ti-6Al-4V, probablement en raison de la libération de Ca et de Si des revêtements. Les résultats de cette étude indiquent l'utilisation potentielle des revêtements HT et SP pour des applications orthopédiques.

Mots-clés: spray plasma; orthopédique; alliage de titane ; nanostructure; gènes ostéogènes; verre-céramique


  1. INTRODUCTION

L'alliage de titane (Ti-6Al-4V) est largement utilisé dans les applications orthopédiques, notamment les articulations de la hanche artificielles, les os et les implants dentaires, en raison de ses excellentes propriétés mécaniques [1]. Cependant, le principal inconvénient des implants Ti-6Al-4V est la formation de tissu fibreux dense à l'interface implant-os en raison de sa bio-intégrité [2], ce qui compromet la stabilité des prothèses et entraîne leur défaillance prématurée. Le revêtement des implants Ti-6Al-4V avec un revêtement bioactif est un moyen efficace de résoudre ce problème, car le revêtement peut accélérer la formation de nouveaux os à l'interface os-implant, ce qui conduit à un fort ancrage du matériau du dispositif dans le tissu osseux environnant. prolonger la durée de vie des implants. Diverses techniques de modification de surface ont été utilisées, notamment les techniques sol-gel, pulvérisation plasma, dépôt biomimétique, dépôt laser pulsé et techniques du faisceau ionique [3]. La pulvérisation au plasma est de loin la technique commerciale la plus établie en raison de son taux de déposition élevé, de son dépôt épais, de son faible coût en capital et de son coût d'exploitation [4], ainsi que du fait que les surfaces rugueuses des revêtements projetés au plasma sont favorables à la fixation osseuse [ 5]. Les revêtements d'hydroxyapatite (HAp) pulvérisés au plasma ont été commercialisés et largement utilisés pour le remplacement des articulations de la hanche en raison de la similitude chimique de l'HAP au composant inorganique des os humains. Cependant, la principale préoccupation avec le revêtement HAp réside dans sa faible force de liaison au Ti-6Al-4V sous -jacent résultant du déséquilibre de leurs coefficients de dilatation thermique, ce qui augmentera le risque de délamination des revêtements. Une fois la délamination réalisée, les fragments des revêtements favoriseront l'inflammation et l'ostéolyse résultante, compromettant ainsi la stabilité à long terme des implants Ti-6Al-4V [6].

Une autre méthode consiste à recouvrir les implants de bioglasse à base de CaO – SiO2, dont la bioactivité a été bien documentée in vitro [7–11] et in vivo [12,13]. Cependant, la plupart des revêtements de bioglasse pulvérisés au plasma échouent du fait de leur faible liaison interfaciale avec l’ alliage Ti-6Al-4V résultant d’un coefficient de dilatation thermique plus élevé (14-15 × 10 -6 K -1 [14]) par rapport à celui de l’alliage 8,4–8,8 × 10 -6 K -1 [15]) [16]. Un taux de dégradation élevé est un autre obstacle à l’utilisation de bioglasse en tant que revêtements d’ implant . Cependant, il est connu que la libération des ions calcium (Ca) et silicium (Si) améliore la fixation, la prolifération et la différenciation des ostéoblastes [17–20] et favorise la formation osseuse [11,21]. Par conséquent, la conception de revêtements à base de CaO – SiO2 avec une libération limitée d'ions Ca et Si, qui ne compromettra pas la stabilité à long terme des revêtements, produirait des revêtements avec une bioactivité accrue. Dans nos travaux précédents, nous avons signalé que la hardystonite (HT) ou le sphène

Les céramiques (SP), produites par addition de ZnO [22] ou de TiO2 [23], respectivement, dans le système CaO – SiO2, possèdent une meilleure stabilité chimique que les céramiques CaSiO3. De plus, leurs coefficients de dilatation thermique (11,2 × 10 -6 K -1 pour HT [24]; 6 × 10 -6 K -1 pour SP [25]) sont plus proches de ceux des alliages Ti-6Al-4V , ce qui implique que la force de liaison devrait être obtenue. Il est donc plausible de suggérer que HT et SP seraient des revêtements candidats appropriés pour des applications orthopédiques.


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