PROCEDE D'ELECTRODEPOSITION DE REVETEMENTS PHOSPHOCALCIQUES SUR SUBSTRATS METALLIQUES, REVETEMENTS OBTENUS ET MATERIELS IMPLANTABLES COMPORTANT DE TELS REVETEMENTS La présente invention concerne un procédé d'électrodéposition de revêtements phosphocalciques sur des substrats métalliques, ainsi que les revêtements obtenus et des matériels implantables comportant de tels revêtements. Il est connu de réaliser des prothèses, notamment des prothèses de hanche et du genou, à base de matériaux métalliques résistants à la charge et à la corrosion. En effet, les interventions chirurgicales pour le remplacement d'une partie ou la totalité d'une articulation (arthroplasie) sont de plus en plus nombreuses. Les implants produits et implantés sont par exemple des prothèses orthopédiques, prothèses de hanche, du genou, des implants dentaires ou des matériels implantables en chirurgie du rachis.

Ces implants sont généralement réalisés en métal ou alliage métallique revêtus de biomatériaux. En effet, les alliages métalliques adhérent pour la plupart mal à l'os, et ceci engendre des frottements et génère des inflammations.

Des biomatériaux déposés sur les prothèses permettent d'isoler l'implant de son environnement corrosif pendant un certain temps afin d'améliorer le « soudage » de la prothèse à l'os. Parmi les biomatériaux, la famille des phosphates de calcium est connue pour constituer des revêtements biorésorbables. Notamment, l'hydroxyapatite (HAP) fait l'objet de recherche en ingénierie du tissu osseux. En effet, sa structure cristalline et ses caractéristiques chimiques sont similaires à celles du carbonate d'apatite que l'on trouve dans l'os. Pour déposer des biomatériaux sur des supports et notamment des supports métalliques, différentes techniques sont connues, dont les techniques d'imprégnation en solution (dip-coating) associée au sol-gel et de la technique dite de dépôt par projection par torche à plasma. Cette technique de projection thermique à l'aide d'une torche plasma permet la réalisation d'une couche d'hydroxyapatite ou de titane poreux, en vue d'améliorer la repousse osseuse autour des prothèses. Toutefois, on a pu constater une mauvaise adhésion locale du revêtement sur le substrat ou une mauvaise cohésion intrinsèque. Ces phénomènes engendrent des débris difficiles à résorber dans l'organisme, dont la présence se traduit par une usure prématurée ou un échec de l'ancrage de l'implant dans l'os. De plus, la reproductibilité de ces dépôts n'est pas toujours suffisante, ce qui induit des surcoûts de fabrication.

Une alternative consiste à déposer des revêtements de diverses natures sur des substrats métalliques par électrodéposition. Il est ainsi connu de réaliser des dépôts à partir de précureurs dont divers sels notamment de calcium et de phosphore. Ceux-ci sont par exemple Ca _I0 (PO^e(OH) ₂ et NaCI dans US 5 205 921 en mode potentiostatique ou NaCI, CaCI ₂ 2H ₂ O, MgCI ₂ 6H ₂ O, NaHCO ₃ et Na ₂ HPO ₄ 2H ₂ O dans le procédé décrit par Lopez- Heredia et al. (1) en courant continu, ou encore CaH ₂ PO ₄ H ₂ O et CaCI ₂ 2H ₂ O dans le procédé décrit par Chen et al. (2), dans un mode puisé non défini ou un mode où le potentiel est puisé.

Par ailleurs, Dumelié et al. (3) ont réalisé l'électrodéposition de revêtements phosphocalciques en mode continu, à partir de Ca(NO ₃ ) ₂ 4H ₂ O et

NH ₄ (H ₂ PO ₄ ).

Toutefois, les résultats obtenus sont encore insatisfaisants, et le problème se pose notamment d'obtenir, avec une bonne reproductibilité, des revêtements phosphocalciques répondant à de nombreux critères : homogénéité en structure microscopique, formule stoechiométrique proche de celle de l'hydroxyapatite (HAP), structure cristallographique proche de celle de l'HAP stoechiométrique, hexagonale compacte, pourcentage de cristallinité supérieur à 90%, voire 95%, et possédant des caractéristiques de bonne résistance mécanique ainsi que d'adhérence au support. Autrement dit, on cherche à réaliser des revêtements phosphocalciques dont la structure cristallographique est hexagonale compacte, dont la formule s'apparente à celle de l'hydroxyapatite, de préférence l'hydroxyapatite non déficiente, et ce, à des températures proches de la température ambiante.

La présente invention concerne l'électrodéposition de revêtements phosphocalciques sur support métallique comportant l'électrolyse d'une solution électrolytique contenant des ions calcium et des ions phosphate, par application d'un courant électrique entre le support formant la cathode et une contre-électrode, dans lequel Pélectrolyte comporte une solution de Ca(NO ₃ ) ₂ ,4H ₂ O et de NH ₄ H ₂ PO ₄ et le courant est appliqué en mode puisé. La demanderesse a mis en évidence que les résultats obtenus selon la demande sont intéressants du point de vue de l'homogénéité et la qualité des revêtements obtenus par électrodéposition, ainsi que leurs qualités en termes de propriétés physico-chimiques et mécaniques

Cette méthode permet de réaliser des revêtements prothétiques à basse température et de contrôler leur épaisseur et leur porosité, d'introduire le dopant directement dans la solution électrolytique et faire varier le taux de substitution du calcium par les dopants contrairement aux méthodes d'élaboration courantes (torche, plasma, CVD, pulvérisation par magnétron RF), de contrôler directement la bioactivité des revêtements à travers le choix des concentrations d'ions dopants éventuels (Zn, Mg, Sr, autres) dans la solution, de réaliser des dépôts sur de petites pièces de forme complexe telles que celles qui sont utilisées en chirurgie dentaire et maxillo-faciale.

De plus, par la mise en œuvre du procédé selon l'invention, il est possible d'obtenir des revêtements phosphocalciques répondant aux critères requis d'adhésion au substrat, de biocompatibilité, de taux de cristallinité, etc. Selon un autre aspect, l'invention concerne des revêtements phosphocalciques susceptibles d'être obtenu selon le procédé de l'invention, et particulièrement des revêtements ayant un rapport Ca/P de l'ordre de 1 ,67 ± 0,03, voire même 1 ,67 ± 0,01. Ces revêtements ont une structure cristallographique hexagonale compacte et se présentent à 50% en poids minimum sous forme d'aiguilles, ou d'agglomérats, par exemple des sphères de diamètre allant de 1 à 5 μm. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci concerne un matériel à application chirurgical comportant au moins une partie métallique revêtue au moins partiellement d'un revêtement susceptible d'être obtenu par le procédé de l'invention. D'autres avantages et résultats avantageux apparaîtront dans la description détaillée et les exemples, ainsi que sur les figures annexées.

La figure 1 présente schématiquement le matériel d'électrodéposition de revêtement phosphocalcique sur support métallique. Sur ce schéma, « U » symbolise la différence de potentiel et « I » l'intensité. La figure 2 représente, en fonction du temps (t), un profil de densité de courant (j) qu'il est possible d'appliquer lors de l'électrodéposition de revêtement phosphocalcique selon l'invention.

La figure 3 représente schématiquement la technique de préparation des échantillons de revêtement phosphocalcique pour leur analyse en microscopie électronique à balayage transmission (MEBT). La figure 4 représente le profil de la différence de potentiel U avec l'électrode de référence appliquée en Volts (V) en mode galvanostatique, en fonction du temps t en secondes (s).

Les figures 5-1 et 5-2 représentent l'image au microscope électronique à balayage (MEB) de l'échantillon de revêtement phosphocalcique obtenu en mode galvanostatique, selon deux grandissements différents (barres d'échelle : 200 et 5 μm respectivement).

Les figures 6-1 et 6-2 représentent l'image au microscope électronique à balayage transmission (MEBT) du même échantillon de revêtement phosphocalcique, obtenu en mode galvanostatique, selon deux grandissements différents (barres d'échelle : 2 μm et 1 μm respectivement). La figure 7 représente les résultats d'analyse aux rayons X du même échantillon de revêtement phosphocalcique obtenu en mode galvanostatique. (Intensité en unités arbitraires représentée en fonction de l'énergie en keV). La figure 8 représente le profil de la différence de potentiel U appliquée (en Volts V), en fonction du temps t en secondes (s) selon l'invention. Les figures 9-1 et 9-2 représentent l'image au microscope électronique à balayage (MEB) d'un l'échantillon de revêtement phosphocalcique préparé selon l'invention, selon deux grandissements différents (barres d'échelle : 200 et 5 μm respectivement).

Les figures 10-1 et 10-2 représentent l'image au microscope électronique à balayage en transmission (MEBT) du même échantillon de revêtement phosphocalcique, obtenu selon l'invention, selon deux grandissements différents (barres d'échelle : 2 μm et 0,5 μm respectivement). La figure 11 représente les résultats d'analyse aux rayons X du même échantillon de revêtement phosphocalcique obtenu selon l'invention. (Intensité en unités arbitraires représentée en fonction de l'énergie en keV). La figure 12 représente les résultats d'analyse par diffraction des rayons X, du même échantillon de revêtement phosphocalcique obtenu selon l'invention.

La figure 13 représente le profil de la différence de potentiel U en Volts (V), en fonction du temps t en secondes (s) selon l'invention, dans une variante du procédé de l'invention, en présence de peroxyde d'hydrogène 6% en volume. La figure 14 représente l'image au microscope électronique à balayage (MEB) de l'échantillon de revêtement phosphocalcique obtenu selon cette variante.

Les figures 15-1 et 15-2 représentent l'image au microscope électronique à balayage transmission (MEBT) du même échantillon de revêtement phosphocalcique, obtenu selon cette variante de l'invention, selon deux grandissements différents (barres d'échelle :1 μm et 2 respectivement). La figure 16 représente les résultats d'analyse aux rayons X du même échantillon de revêtement phosphocalcique obtenu selon cette variante de l'invention (Intensité en unités arbitraires représentée en fonction de l'énergie en keV). Les figures 17-1 et 17-2 représentent l'image obtenue en microscopie MEBT de l'HAP stoechiométrique électrodéposée non traitée (17-1 ) et traitée (17-2) en température (barres d'échelle : 600 nm). Les figures 18a, 18b et 18c représentent les images obtenues en microscopie électronique à balayage avec 0%, 6% et 9% de H ₂ O2. Les clichés de diffraction X des figures 19a, 19b et 19c correspondent au revêtement obtenu avec 0%, 6% et 9% de H ₂ O ₂ .

Les figures 20a et 20b montrent la concentration en Ca (20a) et P (20b) des solutions biologiques où des revêtements électrodéposés en présence de 0% et 9% de H ₂ O ₂ ont été immergés. La concentration est déterminée à 1h, 4h, 12h, 24h, 4j, 7j, 14j, 21 j et 28jours.

Les figures 21a à d représentent les spectres X de revêtements dopés au strontium.

La figure 22 représente la cartographie des éléments du revêtement de la figure 21 d.

L'électrodéposition est une technique usuelle de dépôt de divers phosphates de calcium.

Un tel procédé est susceptible d'être mis en oeuvre à l'aide d'une cellule d'électrodéposition usuelle, connue sous le nom de système d'électrodéposition à trois électrodes.

Un tel dispositif (1) d'électrodéposition est essentiellement constitué d'une cuve d'électrolyse équipée d'un dispositif de réglage de contrôle des températures (3), l'électrodéposition étant réalisée dans un système à trois électrodes (4) comportant une contre-électrode (5) par exemple, en graphite ou platine, une électrode de référence au calomel saturée (6) ainsi qu'une cathode (7). Le dispositif est également équipé d'une sonde de température (8). Les électrodes et sonde sont au moins partiellement immergées dans la solution électrolytique (9).

Le support métallique constitue l'électrode de travail (7) et le substrat. En appliquant un courant délivré par les potentiostat/galvanostat on crée une différence de potentiel qui permet la précipitation notamment des ions calcium avec les ions phosphate sur le substrat immergé dans la solution électrolytique.

La présente invention concerne un procédé d'électrodéposition de revêtements phosphocalciques sur support métallique rugueux comportant l'électrolyse d'une solution électrolytique de précurseurs contenant des ions calcium et des ions phosphate, par application d'un courant électrique entre le support formant cathode et une contre-électrode, caractérisé en ce que l'électrolyte comporte une solution de Ca(Nθ ₃ ) ₂ ,4H ₂ O et de NH ₄ H ₂ PO4, le courant électrique étant appliqué en mode puisé. Selon l'invention, la solution électrolytique de départ est une solution comportant essentiellement des précurseurs Ca(Nθ ₃ )2,4H ₂ O et NH ₄ H ₂ PO ₄ .

Elle peut comporter de 0,001 M à 1 M de Ca, et 0,001 M à 1 M de P.

De préférence, elle comporte 0.042M Ca(NO ₃ MH ₂ O et 0,025M NH ₄

(H ₂ PO ₄ ). Elle peut aussi comporter des précurseurs de dopant métallique, comme indiqué ci-dessous.

Par revêtement phosphocalcique, on entend tout dépôt obtenu par électrodéposition, dont les proportions molaires Ca/P vont de 1 ,5 :1 à

1 ,7 :1. De préférence selon l'invention, les proportions molaires Ca/P des revêtements obtenus sont de l'ordre de 1 ,67 ± 0,03, voire 1 ,67 ± 0,01. Au cas où la solution électrolytique comporte un précurseur de dopant métallique, c'est le rapport (Ca + dopant)/P qui égale cette valeur.

Dans ce cas, la solution électrolytique de départ peut comporter de 0,01 à

25% molaire de dopant, de préférence jusqu'à 13,5%.

Par exemple, pour des concentrations molaires constantes 25mM de P dans la solution électrolytique de départ et (Ca + dopant) de 42mM, les quantités de Ca et dopant sont complémentaires à 42mM. Ainsi, dans le cas du dopage au zinc, on peut envisager toutes solutions, par exemples Ca/Zn 41 ,5/0,5 ou encore 40/2 ou encore 38/4, de préférence pas plus de Zn que 38/4, ce qui correspond à des solutions dopées à 13,5%. Le pH de la solution électrolytique peut être ajusté à des valeurs comprises entre 1 et 6, de préférence entre 2 et 5. Selon l'invention, on préfère des pH dans la gamme allant de 3 à 5, de préférence 4,4 + 0,5. Pour ajuster le pH, on peut utiliser toute base ou tout acide minéral convenable, notamment la soude NaOH ou l'acide chlorhydrique HCI ou tout autre acide de base convenable pour ajuster le pH de la solution électrolytique. Le courant est appliqué avec une différence de potentiel allant de 0,01 à 10 V, de préférence 0,05 à 2,2 V.

Le courant est appliqué en mode puisé selon l'invention, avec une densité de courant comprise entre 0,01 mA/cm ² et 10A/cm ² , de préférence 0,1 m A/cm ² et 0,1 A/cm ² , de préférence 1 m A/cm ² et 10m A/cm ² . De façon préférée, la densité de courant est de l'ordre de 5mA/cm ² .

Le profil de la densité de courant appliqué s'est révélé un facteur important de la qualité des revêtements obtenus. Des cycles successifs comportant un temps d'application t _d (d pour dépôt) et un temps de latence tb (b pour break) sont appliqués, avec des densités de courant respectives j _d de dépôt et j _b de latence.

Selon l'invention, on applique un nombre déterminé de cycles td + t _b , et une formule permet de déterminer les valeurs particulièrement avantageuse de la densité de courant j à appliquer : j _a = (jd x td) / (td + tb). J _a est donc la densité de courant moyenne. Une valeur particulièrement intéressante de j _a est de 5 mA/cm ² ± 0,5.

De façon encore plus intéressante, on a appliqué cinq cycles successifs, pour une durée totale d'électrodéposition de 15 mn, correspondant à la courbe représentée à la figure 2. A chaque cycle et au total, on a deux fois plus de temps de latence que de temps d'électrodéposition. On peut appliquer des impulsions de forme carrée dans une gamme de période allant de 15 s à 2 mn, de préférence 20s à 1mn, le rapport ON/OFF étant compris entre 1 :50 et 50 :1 , de préférence 1 :10 et 10 :1. Toutefois, d'autres profils sont applicables, qui répondent de préférence à la formule de j _a ci-dessus. Le spécialiste saura adapter le profil de densité de courant selon le dépôt recherché, notamment la forme des impulsions, leur durée et le rapport ON/OFF.

La température de la solution électrolytique est comprise entre 15°C et 95°C, de préférence 2O ⁰ C à 80 ⁰ C, de façon encore préférée allant de 60 à 65°C.

Après l'électrodéposition, le revêtement peut être soumis à un traitement au four à l'air, sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Le traitement thermique appliqué à l'issue de l'électrodéposition est défini par un ou plusieurs paliers de température allant de la température ambiante à 1000 ⁰ C au maximum, de préférence de la température ambiante à 850 ⁰ C, de façon encore préférée de l'ambiante à moins de 650 ⁰ C environ, de préférence environ 600 ⁰ C, et ce par exemple pendant une période pouvant aller de 20mn à 1 h30. Par exemple, le traitement comporte au moins un palier à une température de moins 850 ⁰ C, de préférence à 650°C.

Par exemple, on peut appliquer une température de 800 ⁰ C pendant environ 1 heure.

Le traitement thermique appliqué peut être défini par des montées en température et des paliers de température déterminés, par exemple les suivants : montée de la température ambiante à une température θi déterminée entre 100 et 200 ⁰ C à raison de 0,5 à 10°C/mn, palier à température constante G ₁ pendant 20 à 120 mn, montée de la température G ₁ à une température θ ₂ déterminée entre 400 et 600 ⁰ C à raison de 0,5 à 10°C/mn, palier à température constante θ ₂ pendant 20 à 120mn, montée de la température B ₂ à une température G ₃ déterminée entre 600 et 800 ⁰ C à raison de 0,5 à 10°C/mn, palier à température constante θ ₃ pendant 20 à 120mn, et suivi d'un refroidissement de θ ₃ à la température ambiante. De préférence, la température θ ₃ , est limitée à 650°C.

Selon un mode de réalisation particulier, on peut avantageusement introduire du peroxyde d'hydrogène dans la solution électrolytique. Lorsque la solution électrolytique comporte du peroxyde d'hydrogène, celui-ci est introduit dans la solution électrolytique à des concentrations de l'ordre de 0 à 30% vol. de peroxyde d'hydrogène par rapport au volume total de la solution électrolytique de départ. La solution électrolytique comporte de 2 à 15% de peroxyde d'hydrogène, de préférence de 5 à 15%, de façon encore préférée de 6 à 10%, par exemple environ 6% ou 9% en volume.

L'introduction de peroxyde d'hydrogène dans la solution électrolytique de départ avec un pourcentage variable et optimisé, notamment associé à un traitement thermique ultérieur permet d'obtenir des revêtements biphasés hydroxyapatite/phosphate tricalcique (HAP/β-TCP) avec des proportions variables.

Ainsi, il est possible d'obtenir des revêtements monophasés (HAP) ou biphasés (HAP et une phase phosphocalcique), c'est-à-dire comportant jusqu'à 100% d'HAP associée à 0 à 90% de phase apatitique, amorphe ou non, susceptible de donner du β-TCP après traitement thermique.

En particulier, l'introduction d'environ 9% dΗ ₂ O ₂ permet d'obtenir un revêtement comportant 100% d'HAP, monophasé. De tels résultats n'ont jusqu'à présent pas été observés par la méthode d'électrodéposition. Les travaux concernant les matériaux biphasés utilisent d'autres techniques de fabrication (précipitation, sol-gel) ne permettant pas d'obtenir des revêtements sur substrat métallique.

Par « dopant » selon l'invention, on entend dopant métallique, c'est-à-dire tout type de composé métallique chimique incorporable dans des biomatériaux phosphocalciques, par addition de précurseurs dans la solution électrolytique. Les dopants peuvent être choisis parmi le zinc, le magnésium, le manganèse, le silicium, le strontium, le sodium, l'argent, le titane et le fluor, et les précurseurs correspondants capable de libérer en solution par exemple des ions Zn ²⁺ , Mg ²⁺ , Mn ²⁺ , Si ⁴⁺ , Sr ²⁺ , Na ⁺ , Ag ⁺ , Ti ⁴⁺ et F ^" et leurs mélanges. De préférence, les dopants sont choisis parmi Zn ²⁺ , Mg ²⁺ , Sr ²⁺ et leurs mélanges. A titre de précurseur de dopant, on peut utiliser selon l'invention tout sel ou mélange de sels des dopants désirés susceptible d'être solubilisé dans une solution d'électrolyte. Par exemple, on peut utiliser Zn(NO ₃ ) ₂ ,4H ₂ O pour doper les biomatériaux au zinc, Mg(NO ₃ ) ₂ ,6H ₂ O pour les doper au magnésium, ou Sr(NO ₃ ) ₂ pour les doper au strontium, et on peut aussi utiliser leurs mélanges.

En ce qui concerne la quantité de dopant, celle-ci peut représenter jusqu'à environ 15% molaire de la quantité de Ca dans la solution électrolytique de départ. Ainsi, si un dépôt phosphocalcique comporte x mM de Ca pour y mM de P (Ca/P = z), le dopant dans la solution électrolytique de départ représente au maximum 15% de x molaire dans la solution électrolytique, et on a dans le revêtement (Ca+dopant)/P = z.

Dans le revêtement obtenu avec dopage, on a des rapports molaires (Ca+dopant)/P=1 ,67 ± 0,03, de préférence 1 ,67 ± 0,01. Par support métallique selon l'invention, on entend tout dispositif métallique ou recouvert au moins en partie par un alliage métallique convenable pour la réalisation d'implant ou prothèse et susceptible d'être recouvert de biomatériau phosphocalcique. En particulier, ces métaux ou alliages métalliques peuvent être de l'acier inoxydable, de l'aluminium, du titane ou des alliages de titane et d'aluminium ou de titane, aluminium et vanadium usuels pour réaliser de tels prothèses ou implants. En particulier, on préfère des supports du type TÎ6AI4V. Cet alliage de titane (90% Ti - 6% Al - 4%V) est un constituant usuel des prothèses de hanche, qui est biocompatible et possède de bonnes propriétés mécaniques (masse volumique 4,4 10 ⁶ g/rn ³ ). Associer le peroxyde d'hydrogène aux éléments dopants cités ci-dessus, avec des pourcentages optimisés permet de réaliser selon l'invention une substitution efficace du calcium de l'hydroxyapatite. Or les travaux antérieurs concernant le dopage de l'hydroxyapatite ne concernent pas les revêtements et utilisent d'autres méthodes d'élaboration. Les supports selon l'invention sont rugueux, la rugosité étant supérieure à 0,5 μm, de préférence au moins supérieure à 1 μm. La rugosité peut aller jusqu'à 10 μm. A titre d'exemple, l'alumine peut amener une rugosité de l'ordre de 1 μm et les corindons plus gros à des rugosités de l'ordre de 3,5 ou 4 μm. De préférence, les supports sont prétraités avant leur immersion dans la solution électrolytique, pour préparer leur surface, en vue d'améliorer l'adhésion du revêtement. Parmi ces traitements préliminaires de la surface du substrat, on peut citer le décapage chimique, par exemple le décapage acide, le lavage, par exemple en bain à ultrasons, le dégraissage, par exemple à l'acétone, le rinçage, par exemple à l'eau distillée et/ou la modification de surface par abrasion, par exemple sablage aux billes d'alumine ou à la poudre d'hydroxyapatite, le polissage au papier abrasif. Parmi ces traitements préliminaires, on réalise de préférence selon l'invention un décapage à l'acide, un sablage à l'alumine avec des billes d'alumine de diamètre compris entre 100 et 300 μm, jusqu'à obtenir une rugosité de l'ordre de 5 μm, de préférence 3 μm, de préférence 2 μm, suivi d'un traitement aux ultrasons dans l'acétone.

Tout autre traitement usuel convenable ou toute autre séquence de prétraitements peut néanmoins être réalisé, pourvu qu'une surface suffisamment propre et abrasée à la rugosité compatible avec un dépôt ultérieur satisfaisant.

Selon l'invention, par prétraitement de surface, on entend de préférence tout traitant chimique ou physique de préparation, à l'exclusion d'un dépôt phosphocalcique sol-gel. Selon un aspect particulier, les prétraitements ne sont pas de type anodisation. L'invention concerne également les revêtements phosphocalciques susceptibles d'être obtenus par le procédé de la demande. Les analyses des revêtements obtenus reflètent des caractéristiques particulièrement intéressantes des revêtements. Ainsi, on peut obtenir des revêtements dont le rapport Ca/P ou (Ca + dopant)/P avoisine 1 ,67, autrement dit le rapport typique de l'hydroxyapatite pure, sans déficit. Par ailleurs, les revêtements déposés sont de qualité homogène.

Ils se composent essentiellement d'hydroxyapatite, notamment d'hydroxyapatite non déficiente qui se présente à 50% au moins, de préférence 70% sous forme d'aiguilles de dimensions comprises entre 10nm et 5 μm, notamment 100 nm et 2 μm de longueur et comprises entre 5 nm à 200 nm de largueur, notamment 10nm à 100nm. Les aiguilles sont regroupées sous forme de sphéroïdes. Les clichés révèlent des aiguilles groupées dont l'aspect s'apparente à celui des oursins. Notamment lorsqu'un traitement thermique a été appliqué au revêtement après dépôt, les aiguilles peuvent disparaître pour donner lieu à des cristallites ou particules cristallisées sphériques ou pseudosphériques. Ces particules ont des dimensions individuelles de l'ordre de 5 à 250 nm. Ces particules peuvent être groupées, avec une bonne cohésion entre ces sphères ou pseudo-sphères. Ainsi, les revêtements de l'invention peuvent être essentiellement formés de particules cristallites ou particules cristallisées sphériques ou pseudosphériques, de dimensions individuelles de l'ordre de 5 à 250 nm, notamment 20nm à 100nm, ces particules pouvant être groupées de manière cohésive.

Les revêtements obtenus se révèlent compacts et cohésifs, et ils adhèrent au substrat métallique de façon satisfaisante. Ainsi, la demanderesse a pu obtenir des revêtements compacts et adhérant bien à la surface, c'est-à-dire assez cohésifs en même temps et adhésifs. De plus, ils ont l'avantage de pouvoir présenter, notamment en fonction du dopage, de bonnes propriétés en terme de biocompatibilité. L'invention concerne également les matériels d'application chirurgicale osseuse comportant au moins une partie métallique recouverte d'au moins partiellement d'un revêtement susceptible d'être obtenu par le procédé d'électrodéposition selon l'invention. A titre de matériel d'application chirurgicale, on entend selon l'invention les prothèses ou implants métalliques ou plus largement tout dispositif implantable au moins partiellement métallique recouverts au moins partiellement des biomatériaux susceptibles d'être obtenus par le procédé de la présente demande.

Il peut s'agir de tout matériel médico-chirurgical implantabie au moins partiellement métallique, par exemple des d'implants osseux, des implants dentaires, des prothèses osseuses articulaires ou non, y compris plaques ou vis osseuses, et que la fixation biologique de l'implant soit prévue dans l'os cortical ou spongieux. Ces matériels peuvent être utilisés, par exemple, lors de la pose de prothèse de hanche, de genoux, utilisés pour la chirurgie du rachis, épaule, cheville, coude, main, pied, et utilisés en chirurgie réparatrice, en ostéosynthèse ou en chirurgie dentaire ou orthopédique.

EXEMPLES

Exemple 1

Les électrolytes ont été préparés en mélangeant une solution de 0,042 M Ca(NO ₃ )2,4H ₂ O et 0,025 M NH ₄ (H ₂ PO ₄ ). La valeur du pH a été ajustée à

4,4 en ajoutant une solution de NaOH. Les substratsTi6AI4V choisis ont été des plaquettes de 10mm x 10mm x 0,6mm.

Les surfaces ont été grenaillées avec des particules d'alumine afin d'obtenir une rugosité moyenne allant de 1 μm à 4 μm. Avant le dépôt du revêtement, les substrats ont été immergés dans un mélange d'acide nitrique et fluorhydrique (HNO ₃ 6%o en volume et HF 3%o en volume).

Les échantillons ont été nettoyés aux ultrasons dans l'acétone et dans l'eau déminéralisée. L'exemple 1 est comparatif, il est réalisé en mode galvanostatique, selon le profil de différence de potentiel de la figure 4. Exemple 2 L'électrodéposition a été réalisée avec un courant puisé tel que défini à la figure 2. Temps de dépôt t _d : 1 minute, à une densité de courant J _d de 15mA/cm ² , suivi d'un temps de repos t _b : 2 minutes, à densité de courant jb : nul. La densité de courant moyenne J _a a donc été de 5mA/cm ² .

On a réalisé 5 cycles, ceci correspondant à un temps de traitement de dépôt total de 15 minutes.

Exemple 3 - Matériel et méthodes 3.1 Microscopie électronique à balayage

La morphologie des revêtements a été observée en utilisant un microscope électronique LaB6 (JEOL JSM-5400LV) opérant entre 0-30 kV. Le microscope a été associé à un appareil de mesure de microanalyse X (ulra-thin window Si(Li)). Les échantillons ont été recouverts d'une couche conductrice Au-Pd pour la microscopie électronique à balayage et C pour la microanalyse X.

Les spectres aux rayons X ont été réalisés à 15 kV avec un temps d'acquisition de 100 s. Pour l'analyse quantitative, les mesures ont été réalisées trois fois pour obtenir une valeur moyenne du taux CaJP.

3.2 Pour la microscopie électronique à balayage transmission (MEBT), on a utilisé un microscope Philips CM30 opérant entre 100 et 300 kV pour étudier la morphologie des échantillons au niveau nanométrique. Un échantillon spécifique a été réalisé en utilisant une résine EPON (kit AGAR 100 RESIN, Oxford Instruments France). La préparation de l'analyse consiste dans les étapes présentées schématiquement à la figure 3. Le revêtement CaP 13 déposé sur un support métallique 14 est imprégné de résine sans durcissant, dans une première étape (1), pour donner l'échantillon 16 où une couche de résine 15 est déposée sur le revêtement 13 déposé sur le support métallique 14. Par immersion, dans une seconde étape (2), dans un bain d'azote liquide 17 qui provoque un choc thermique, le support métallique 14 se désolidarise du revêtement 13 inclus dans la résine 15. A ce stade, l'échantillon 18 à la sortie (3) du bain d'azote liquide n'est plus constitué que du revêtement phosphocalcique 13 inclus dans la résine 15. Des sections ultra-fines, de l'ordre de 100 nm, en ont été découpées à l'aide d'une lame diamantée avec un ultramicrotome. Les sections ultra-fines débitées obtenues 19 sont récupérées et disposées (5) sur la grille en cuivre (20) où elles ont été recouvertes d'une couche conductrice de carbone et ont été observées à une tension de 250 kV. 3.3 Analyse par diffraction aux rayons X Les poudres phosphocalciques sont grattées des revêtements obtenus par électrodéposition et leur composition de phase analysée par diffractomètre aux rayons X (Brucker D8 Advance). Les spectres ont été collectés avec une radiation CuKa (2Θ ≈ 10 to 45°) ; pas de 0,04°; 12 secondes à chaque pas.

Exemple 4 = analyse de l'échantillon obtenu en mode galvanostatique selon le profil de la figure 4.

Comme cela apparaît à la figure 5, des trous et cratères sont présents, attribués à des bulles H ₂ . A haute résolution, il apparaît toutefois que le revêtement est composé d'aiguilles acérées.

Ces observations confirment les micrographes MEBT de la figure 6 qui indiquent que les aiguilles sont d'une dimension de l'ordre de 1 μm de long et 0,1 μm de large. L'analyse aux rayons X des revêtements révèle un taux Ca/P de 1 ,54 ± 0,03 (figure 7). Dans ces conditions, de l'hydroxyapatite déficiente en calcium est obtenue.

Exemple 5 : analyse de l'échantillon obtenu en mode puisé. Comme cela apparaît aux figures 2 et 8, 5 cycles ont été appliqués, chaque cycle présente deux minutes de pause et une minute de dépôt. Un cycle est représenté par la séquence : j = 0 mA/cm ² et Eπ _b r _e ^≈ + 350 mV, pendant 2 minutes, puis j = 15 mA/cm ² , pendant 1 minute, avec un potentiel de départ d'environ -2,2 V. Pour chaque cycle, la variation de potentiel en fonction du temps est similaire à la courbe de la figure 4 et représentée à la figure 8.

Par comparaison des micrographes obtenus (figures 9 et 10) avec des micrographes de la figure 5, on conclut que le nombre de trous et cratères est réduit et le revêtement composé de petites aiguilles et de cristallites. L'analyse au microscope MEBT des figures 10-1 et 10-2 confirme ces observations et montre des aiguilles d'une taille inférieure à 0,2 μm.

Les mesures aux rayons X (figure 11) donnent un taux Ca/P de 1 ,66 ± 0,01 correspondant à l'hydroxyapatite stoechiométrique. Ces résultats sont confirmés par la figure 12, qui représente les pics de diffraction typique à 2Θ = 25,9° -31 ,8° -32,2° -32,9° - 34° -39,8° correspondant à de l'hydroxyapatite stoechiométrique d'après les banques de données standard.

Exemple 6 On procède à Pélectrodéposition comme précédemment à l'exemple 2, en présence de peroxyde d'hydrogène dans l'électrolyte (6% en volume), avec une densité de courant j _a de 5 mA par cm ² . La variation du potentiel en fonction du temps est représentée à la figure 13.

La morphologie du revêtement obtenu (figures 14 et 15) se présente sans trou ni cratère.

Des aiguilles agglomérées en cristallite (sphère d'environ 2 μm de diamètre) apparaissent.

Le revêtement est dense et compact.

L'analyse X (figure 16) révèle un rapport Ca/P de 1 ,67 ± 0,01. Exemple 7

On applique le revêtement obtenu à l'exemple 6 (H ₂ O ₂ ) un traitement thermique, au four à 800 ⁰ C durant une heure.

La morphologie en aiguille du revêtement se transforme après traitement thermique, en particules cristallisées sphériques ou pseudo-sphériques reliées entre elles qui apparaissent à la figure 17.

Exemple 8 : morphologie et composition des revêtements obtenus en présence de H ₂ O ₂ On a fait varier le pourcentage de H ₂ O ₂ introduit dans la solution électrolytique de départ en référence aux exemples 2 et 6, et on a comparé les revêtements obtenus pour des pourcentages de 0%, 6% et 9% d'H ₂ O ₂ .

La figure 18a qui reprend la figure 9 correspond au revêtement avec 0%

H ₂ O ₂ et montre une morphologie sous forme d'aiguilles. La figure 18b qui reprend la figure 14 correspond au revêtement avec

6% H ₂ O ₂ et montre une morphologie sous forme de sphères et poreux.

La figure 18c correspond au revêtement avec 9% H ₂ O ₂ et montre une morphologie sous forme de sphères et moins poreux.

Les clichés de diffraction X des figures 19a et 19b et 19c, montrent que la composition du revêtement varie en fonction du pourcentage de H ₂ O ₂ introduit dans la solution électrolytique de départ :

La figure 19a correspond au revêtement avec 0% H ₂ O ₂ et montre que celui-ci est un produit biphasé composé de 50% d'hydroxyapatite (HAP) et 50% de phosphate tricalcique β-TCP. La figure 19b correspond au revêtement avec 6% H ₂ O ₂ et montre que celui-ci est un produit biphasé composé de 80% d'hydroxyapatite (HAP) et 20% de phosphate tricalcique β-TCP.

La figure 19c correspond au revêtement avec 9% H ₂ O ₂ et montre que celui-ci est un produit monophasé composé majoritairement d'hydroxyapatite (HAP). Exemple 9

Comportement des produits obtenus en milieu physiologique Pour mettre en évidence la différence de composition des produits obtenus à l'exemple 8, le comportement en milieu physiologique artificiel a été étudié pour 0% et 9% de H ₂ O ₂ . L'évolution des éléments minéraux calcium et phosphore dans le milieu physiologique ont été quantifiés par ICP-AES (Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectrometry) technique qui permet de quantifier la présence d'ions Ca et P en solution, pour différentes durées de mise en présence des revêtements avec le milieu DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Médium). La méthode consiste à ioniser l'échantillon en l'injectant dans un plasma d'argon, ou parfois d'hélium, c'est-à-dire que les atomes de la matière à analyser sont transformés en ions. Les atomes excités (ionisés), lorsqu'ils retournent à l'état fondamental, émettent un photon dont l'énergie (donc la longueur d'onde) est caractéristique de l'élément. La lumière émise par l'élément recherché est alors détectée et mesurée. Son intensité est proportionnelle à la concentration des éléments de l'échantillon. Ca et P constants montrent qu'il n'y a pas de dissolution, et témoignent de la présence d'HAP majoritaire. Au contraire, β-TCP se dissout et reprécipite en HAP, consommant Ca et P de la solution. La baisse de Ca et P révèle que β-TCP a été transformé en HAP osseuse (bone-like). Une telle HAP peut être légèrement déficitaire en calcium et avoir une morphologie partiellement amorphe.

Les figures 20a et 20b montrent clairement que les proportions en calcium et en phosphore restent stables dans le milieu lorsqu'il est mis en présence d'un revêtement monophasé ce qui est caractéristique de l'hydroxyapatite bioactive stable (H ₂ O ₂ : 9%À). Au contraire, ces proportions diminuent dans le cas du revêtement biphasé ce qui est caractéristique de la présence du phosphate tricalcique (β-TCP) bio-résorbable pour lequel des réactions chimiques successives de dissolution et de précipitation ont lieu (H ₂ O ₂ : 0% •).

Exemple 10 Revêtements phosphocalciques dopés au strontium

Différents revêtements dopés au strontium à pourcentage variable ont été réalisés.

Les spectres X et les résultats d'analyse quantitative relatifs aux revêtements dopés ont été réalisés, et la figure 21 a correspond à un taux de substitution du calcium par le strontium de 1 ,8%, la figure 21 b correspond à un taux de substitution du calcium par le strontium de 2,8%, la figure 21c correspond à un taux de substitution du calcium par le strontium de 3,8%, la figure 21 d à un taux de substitution du calcium par le strontium de 5,1 %. Pour le taux de substitution du calcium par un dopant dans les phosphates de calcium l'approchant de 5%, la cartographie X des éléments de ce revêtement a été réalisée. Comme cela apparaît à la figure 22, la distribution de l'élément dopant (le strontium) est homogène dans le revêtement obtenu. Les électrolytes ont été préparés en mélangeant une solution de Ca(NO ₃ ) ₂ ,4H2O de NH ₄ H ₂ PO ₄ et de Sr(NO ₃ ) ₂ . Le strontium est introduit pour substituer une partie des atomes de calcium dans le revêtement phosphocalcique. Les trois sels sont donc introduits dans des proportions telles que (Ca+Sr)/P = 1 ,67 (cf. tableau). La valeur de pH a été ajustée à 4,4 en ajoutant une solution de NaOH. Les substrats Ti6A14V choisis sont des plaquettes de 10mm X 10mm X 0,6mm. Les surfaces ont été sablées avec des particules d'alumine afin d'obtenir une rugosité moyenne allant de 1 μm à 4 μm. Avant le dépôt, les substrats ont été immergés dans un mélange d'acide nitrique et fluorhydrique, puis nettoyés aux ultrasons dans l'acétone et dans l'eau déminéralisée.

Exemple 11

On a également réalisé des revêtements en remplaçant dans l'exemple 10 Sr(NO ₃ ) ₂ par Zn(NO ₃ ) ₂ ,4H ₂ O.

REFERENCES

(1) M. Lopez-Heredia et al. ; J Mater Sci : Mater Med (2007) 18 : 381- 390;

(2) Chen Xing-yu et al. ; Trans. Nonferrous Met. Soc. China 17 (2007) 617-621 ;

(3) N. Dumelié, H. Benhayoune, D. Richard, D. Laurent-Maquin, G. Balossier ; Material Characterization 59 (2008) 129-133.