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Fiche détaillée Thèses
Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II (11/06/2004), Irigaray Jean-Leon (Dir.)
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Etude par des méthodes nucléaires et physico-chimiques de la contamination des tissus situés autour de biomatériaux métalliques implantés. Mesure de la contribution à la toxicité par la radioactivité résiduelle de plusieurs biomatériaux
Geoffroy Guibert1

Les implants utilises comme biomateriaux sont fonctionnels, biocompatibles et certains bio-actifs. Il existe quatre familles de biomateriaux : les metaux et alliages, les ceramiques, les polymeres et les materiaux naturels. Des phenomenes d'usures (corrosion, frottement) generent des debris dans l'organisme. Ces debris engendrent differents problemes: toxicite, reactions inflammatoires, descellements prothetiques par lyse osseuse. Nature, taille, morphologie, quantite des debris sont des parametres qui influencent les reactions biologiques susceptibles de se produire. Nous avons caracterise la contamination metallique (migration, comportement in vivo, quantite, taille et nature des debris) provenant des protheses de genou au niveau du tissu capsulaire voisin. Les methodes PIXE-RBS et STEM-EDXS, principalement employees, sont des outils complementaires. Les debris sont repartis de facon heterogene dans l'articulation du genou. Ils migrent sur plusieurs milliers de micro m en profondeur. Pour les echantillons fortement pollues, les debris sont des grains d'alliages de dimension de l'ordre du micro m (PIXE). Les rapports massiques in vivo confirment la stabilite chimique des grains de TA6V et l'evolution des grains de CrCoMo. Une etude a l'echelle nanometrique (STEM-EDXS) montre une dissolution de grains de TA6V (micro m) en de plus petits (nm). Localement la presence de grains de phase αlpha indiquerait une dissolution preferentielle de la phase beta (joint de grain) avec largage de Al et de V elements carcinogenes et toxiques. Le developpement d'un protocole PIXE-histologie en cible mince, correle une analyse PIXE et histologique sur une meme zone. Ce protocole informe sur les pathologies liees aux contaminations metalliques, meme si leur teneur est de l'ordre du micro g/g, grace a la sensibilite de la methode PIXE. De plus l'innocuite vis a vis de la radioactivite de plusieurs biomateriaux naturels ou synthetiques est etablie, a l'aide de systeme de detection gamma ultra bas bruit de fond.
1 :  LPC - Laboratoire de Physique Corpusculaire [Clermont-Ferrand]
prothèse – biomatériaux – alliage TA6V – alliage CrCoMo – usure – débris métalliques – ultra faible radioactivité – PIXE-RBS – STEM-EDXS

Studies by nuclear and physico-chemical methods of tissue's metallic contamination located around biomaterials. Toxicity measurements of several biomaterials residual radioactivity
Implants used as biomaterials fulfill conditions of functionality, compatibility and occasionally bio-activity. There are four main families of biomaterials: metals and metal alloys, polymers, bioceramics and natural materials. Because of corrosion and friction in the human body, implants generate debris. These debris develop different problems: toxicity, inflammatory reactions, prosthetic unsealing by osseous dissolution. Nature, size, morphology and amount of debris are the parameters which have an influence on tissue response. We characterize metallic contamination coming from knee prosthesis into surrounding capsular tissue by depth migration, in vivo behaviours, content, size and nature of debris. The PIXE-RBS and STEM-EDXS methods, that we used, are complementary, especially about characterization scale. Debris contamination distributed in the whole articulation is very heterogeneous. Debris migrate on several thousands µm in tissue. Solid metallic particles, ~ µm, are found in the most polluted samples, for both kinds of alloys TA6V and CrCoMo. In the mean volume analysed by PIXE, the in vivo mass ratios [Ti]/[V] and [Co]/[Cr] confirm the chemical stability of TA6V debris and chemical evolution of CrCoMo debris. Complementary measures of TA6V grains, on a nanometric scale by STEM-EDXS, show a dissolution of coarse grain (~ µm) in smaller grains (~ nm). Locally, TA6V grains of α phase are detected and could indicate a preferential dissolution of β phase (grain boundaries) with dropping of Al and V, both toxic and carcinogenic elements. A thin target protocol development correlates PIXE and histological analysis on the same zone. This protocol allows to locate other pathologies in relationship with weaker metal contamination, ~ µg/g, thanks to the great sensitivity of PIXE method. Harmlessness with respect to the residual radioactivity of several natural or synthetic biomaterials is established, using ultra low background noise γ detection system.
prostheses – biomaterials – TA6V alloy – CrCoMo alloy – wear – metallic debris – ultra low radioactivity – PIXE-RBS – STEM-EDXS