In-vitro degradation of calcium phosphate bone substitutes : Coupled monitoring of the evolution of mechanical, microstructural and physico-chemical properties of DCPD and β-TCP samples
Dégradation in-vitro de substituts osseux à base de phosphates de calcium : Suivi couplé de l’évolution des propriétés mécaniques, microstructurales et physico-chimiques d’échantillons de DCPD et β-TCP
Résumé
The present Ph.D. thesis work was aimed to establish and assess an experimental methodology to monitor the in-vitro evolution of calcium phosphate (CaP) bone substitutes. Dicalcium phosphate dihydrate and beta-tricalcium phosphate were chosen as model of two main classes of bone substitutes: “biosoluble” ones (which undergo dissolution after implantation) and “bioresorbable” ones (which undergo cellular resorption after implantation). In order to study the dissolution and precipitation phenomena, which take place once CaPs are immersed in solution, these materials were produced in the form of micro-porous samples (60% of porosity for DCPD, 75% for β-TCP) and used for dissolution tests in-vitro in static and dynamic conditions (without or with liquid renewal) in different buffered solutions at physiologic pH (TRIS and PBS) and for periods of time ranging between 30 minutes and 2 months. The analysis of the physico-chemical, microstructural and mechanical properties of the samples before and after immersion allowed to evaluate the influence of the chosen medium and immersion conditions on the evolution of the specimens. Particular attention was paid to the mechanical characterisation: instrumented spherical micro-indentation was preferred to other more conventional tests. This technique enables the evaluation of several parameters such as the hardness and the Young’s modulus in a quasi-non-destructive way and on a local scale. As a consequence, the use of micro-indentation proved to be of great help for monitoring the characteristics of the degraded specimens, which presented a gradient of properties between the surface (where the degradation process starts) and the core (subject to changes on a longer period). The last part of this work was focused on the study of the second main phenomenon, which takes part in the in-vivo resorption of bone substitutes, that is to say the cellular resorption. For this purpose, cellular tests with osteoclast-precursor cells were carried out on dense samples made of pure and magnesium-doped β-TCP (5 mol.% of Mg). The addition of magnesium was aimed to modify the properties of the material and, as a consequence, the cellular behavior. The results confirmed the cytocompatibility of both types of β-TCP, but they also showed a difficult activation of osteoclasts. Two of the possible causes would be linked to the topography of the surface of the specimens and to the release of calcium ions due to the dissolution of the material.
Ce travail de thèse a eu comme objectif la mise en place et la validation d’une méthodologie expérimentale pour le suivi de l’évolution in-vitro de substituts osseux à base de phosphates de calcium. Du phosphate dicalcique dihydraté (DCPD, CaHPO4·2H2O) et du phosphate tricalcique bêta (β-TCP, β-Ca3(PO4)2) ont été choisis comme matériaux modèles de deux grandes classes de substituts osseux: les “biosolubles” (sujets à dissolution après implantation) et les “biorésorbables” (sujets à résorption cellulaire après implantation). Pour l’étude des phénomènes de dissolution et de reprécipitation observés lorsque les phosphates de calcium sont plongés en solution, ces matériaux ont été produits sous forme d’échantillons microporeux (60% de porosité pour le DCPD, 75% pour le β-TCP) et soumis à des tests de dissolution in-vitro en conditions statiques ou dynamiques (sans ou avec renouvellement du liquide) dans différentes solutions tamponnées à pH physiologique (TRIS et PBS) et pour des durées s’étalant entre 30 minutes et 2 mois. L’analyse des propriétés physico-chimiques, microstructurales et mécaniques des échantillons avant et après immersion a permis d’évaluer l’influence du type de milieu et des conditions de test choisies sur l’évolution des échantillons. Une attention particulière a été prêtée à la caractérisation mécanique: la technique de micro-indentation instrumentée sphérique a été préférée à autres essais plus conventionnels. Cette technique permet d’évaluer plusieurs paramètres tels que la dureté et le module de Young de façon quasi non-destructive et à une échelle locale. En conséquence, l’utilisation de la micro-indentation s’est avérée d’une grande aide pour le suivi des caractéristiques d’échantillons dégradés qui présentaient un gradient de propriétés entre la surface (où le processus de dégradation commence) et le cœur (sujet à des changements sur plus long terme). La dernière partie de cette étude a été dédiée à l’étude du deuxième phénomène qui entraine la résorption de substituts osseux in-vivo, à savoir la résorption cellulaire. Pour cela des essais cellulaires avec des cellules précurseurs d’ostéoclastes ont été réalisés sur des échantillons denses de β-TCP pur ou dopé avec 5% molaire de magnésium. L’addition de cet élément est censée modifier les propriétés du matériau (notamment sa solubilité) et, par conséquence, modifier le comportement cellulaire. Les résultats des tests ont confirmé la cytocompatibilité des deux types de β-TCP, mais ont également mis en avant une difficulté d’activation des ostéoclastes. Deux des causes possibles seraient liées à la topographie de surface des échantillons et au relargage des ions calcium suite à la dissolution du matériau.
Origine : Version validée par le jury (STAR)