Caractérisation par micro-faisceau d'ions des réactions physico-chimiques induites in vitro par des verres bioactifs nanostructurés élaborés par la méthode sol-gel
Résumé
The study of bioactive glasses is a multi-field area of research aiming at a major goal: the development of new gen-eration biomaterials that would be able to bond with host tissues through the formation of a strong interfacial bond, together with helping the body heal itself through the stimulation of specific cellular responses. Thus clinical applica-tions of bioactive glasses mainly concern dental surgery and orthopaedics, for filling osseous defects. For this purpose, we have elaborated bioactive glasses in the binary SiO2–CaO system, ternary SiO2–CaO–P2O5 system, and for the first time, to our knowledge, strontium-doped SiO2–CaO–SrO and SiO2–CaO–P2O5–SrO glasses. The materials were elaborated using the sol-gel process, which allowed the synthesis of nanoporous materials with great purity and homogeneity. The bioactivity of the glasses was clearly demonstrated in vitro: in contact with biological fluids, the whole lot of mate-rials were able to induce the formation of a Ca-P-Mg layer a few microns thick at their surface. Our work is characterized by the use of PIXE-RBS nuclear microprobes to study the bioactive glass/biological fluids interface. Thanks to these methods we obtained chemical maps that made possible the analysis of major and trace elements concentrations at the interface. Moreover, quantitative information regarding the local reactivity of glasses were acquired. These data are impor-tant to evaluate the kinetics and amplitude of the physico-chemical reactions involved in the bioactivity process. Thus, we highlighted that the binary glass is the highest reactive regarding the dissolution of the glassy matrix as well as the first appearance of the Ca-P rich layer. However the Ca/P atomic ratio calculated at the glass/biological fluids interface decreases slowly, indicating that the Ca-P-Mg layer encounters difficulties to be changed into a more stable apatitic phase. For the P-containing glasses, the dealkalinization of the matrix and the formation of the calcium phosphate layer are delayed. However, calculation of the interfacial Ca/P ratios along with supersaturation studies of the biological medium demonstrate that the Ca-P-Mg layer is quickly changed into an apatitic phase. Concerning the Sr-doped glasses, we highlighted that the dissolution of the material decreased and that the Ca-P-Mg layer was formed on a reduced depth. Nevertheless, according to the rapid decrease of the Ca/P ratio, there is evidence that the layer is more quickly changed into apatite. We also demonstrated that traces of Sr are both present at the glass/biological fluids interface and diffused in the biological medium. Knowing the positive effects of Sr on the cellular activity and on the bone modelling process, it might result in an improved bioactivity for the Sr-doped glasses in contact with a living system.
L'étude des verres bioactifs constitue un domaine de recherche pluridisciplinaire aux enjeux considérables : la mise au point d'une nouvelle génération de biomatériaux, capables de se lier avec les tissus receveurs, de former un lien interfacial fort et d'aider l'organisme à se soigner lui-même grâce à une action directe sur les cellules. Les applications concernent particulièrement le comblement de défauts osseux en chirurgies orthopédique et dentaire. Dans cette optique, nous avons élaboré plusieurs verres bioactifs dans des systèmes de composition binaire SiO2–CaO, ternaires SiO2–CaO–P2O5 , et pour la première fois à notre connaissance des verres contenant du strontium SiO2–CaO–SrO et SiO2–CaO–P2O5–SrO. L'utilisation du procédé sol-gel comme voie de synthèse des verres bioactifs s'est révélée avantageuse, car permettant l'élaboration de matériaux nanoporeux, de grande pureté et homogénéité. La bioactivité in vitro des verres est avérée : au contact d'un milieu biologique, tous les matériaux élaborés induisent la formation d'une couche Ca-P-Mg sur une profondeur de quelques microns à leur surface. Nos travaux se distin-guent par l'utilisation des microsondes nucléaires PIXE-RBS pour la caractérisation de l'interface verre bioactif/milieu biologique; leur emploi a permis de réaliser des cartographies chimiques rendant possible l'étude des gradients de concentrations en éléments majeurs et traces à l'interface. De plus, des informations quantitatives sur la réactivité locale des verres ont été acquises. Ces données sont importantes pour évaluer les cinétiques et l'amplitude des réac-tions physico-chimiques impliquées dans le processus de bioactivité. Nous avons ainsi mis en évidence que le verre binaire est le plus prompt à réagir en ce qui concerne la dissolution de la matrice vitreuse et l'apparition de la couche riche en Ca et en P. Toutefois la plus lente décroissance du rapport Ca/P à l'interface verre/milieu biologique indique que la couche Ca-P-Mg éprouve des difficultés à évoluer vers une phase apatitique. Pour les verres contenant du phosphore, la désalcalinisation de la matrice et la formation de la cou-che phosphocalcique sont retardées ; cependant le calcul du rapport Ca/P à l'interface et le suivi de l'état de saturation du milieu biologique montrent que la couche Ca-P-Mg se développe plus rapidement en une couche de type apatiti-que. Concernant les verres dopés en Sr, nous avons démontré que leur capacité de dissolution est amoindrie et que la couche Ca-P-Mg se forme sur une profondeur plus réduite. Néanmoins, la couche évolue plus promptement en apa-tite d'après la rapide décroissance du rapport Ca/P. Nous avons également obtenu des preuves de la présence de Sr à l'interface verre/liquide et de la diffusion de cet élément dans le milieu biologique sous forme de traces. Grâce aux effets bénéfiques du strontium sur l'activité cellulaire et sur le cycle de remodelage osseux, ceci pourrait résulter en une bioactivité grandement améliorée pour les verres dopés en Sr en milieu vivant.