Synthesis and physico-chemical studies of dense and porous bioactive glasses.
Applications as biomaterials in bony surgery.
Synthèse et études physico-chimiques de verres bioactifs denses et poreux.
Applications en tant que biomatériaux en sites osseux.
Résumé
This work focuses on synthesis, physico-chemical studies and biological response of pure and doped, and dense or porous, bioactive glasses. Three doping elements (Mg, Zn and Sr) have been introduced separately then together in the glass matrix. The different SiO2-CaO-Na2O-P2O5 glasses, synthesised by melt-derived method, present an amorphous and homogenous structure. Their chemical reactivity has been studied during in vitro assays in simulated body fluid and cell culture media. Bioactivity is demonstrated by the formation of an hydroxyapatite layer on the glass surface. Introduction of doping elements strongly influences the glass matrix dissolution as well as the kinetic of formation and the crystallization of the apatite layer. These results have been obtained thanks to a set of physico-chemical techniques, as XRD, FTIR, SEM-EDX or ICP-OES. Non-toxicity and good proliferation of cells have been showed at the glass surface. Moreover, an original structural study by solid-state NMR on the glass bioactivity has demonstrated the formation of two new species of SiO4 tetrahedrons and the emergence of a new component PO43-(HA), characteristic of hydroxyapatite, during in vitro assays. Besides, two phosphosilicates, with a micro and a macroporosity, have been synthesized by reaction between a nitride, like TiN, and the glass oxides. This porosity has been created after the determination of the different thermal parameters required for this phenomenon.
Ce travail concerne l'élaboration, l'étude physico-chimique et l'évaluation biologique de verres bioactifs purs et dopés, sous forme massive ou poreuse. Trois éléments dopants (Mg, Zn et Sr) ont été introduits, séparément puis simultanément, dans la matrice vitreuse. Les différents verres du système SiO2-CaO-Na2O-P2O5, synthétisés par fusion à haute température, présentent une structure amorphe et homogène. Leur réactivité chimique a été évaluée lors de tests in vitro en l'absence puis en présence de cellules. La bioactivité des verres est avérée par la formation d'une couche d'hydroxyapatite à leur surface. L'introduction d'éléments dopants influe fortement sur la dissolution de la matrice vitreuse, ainsi que sur la cinétique de formation et la cristallisation de la couche d'hydroxyapatite. Ces résultats ont été obtenus par un ensemble de techniques de caractérisations, telles que la DRX, l'IR, le MEB-EDX ou l'ICP-OES. La non-cytotoxicité des verres et une bonne prolifération cellulaire à leur surface a également été mise en évidence. En outre, une étude structurale originale sur la bioactivité des verres par RMN du Solide a mis en évidence la formation de deux nouvelles espèces de tétraèdres SiO4 dans le réseau vitreux et l'apparition d'une nouvelle composante PO43-(HA), caractéristique de l'hydroxyapatite, lors des tests in vitro. Par ailleurs, deux phosphosilicates présentant une porosité macro et micrométrique ont été synthétisés par réaction entre un nitrure, tel que TiN, et les oxydes du verre. Cette porosité a été créée après une mise au point des différents paramètres thermiques nécessaires à ce phénomène.
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