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Activités biocéramiques dans les régions d’Euroceram
1. Les activités biocéramiques dans la région de Tampere (Finlande)

1.1. Finn-Medi Biocluster

L’activité biocéramique fait partie du secteur biomédical présent dans la région. Le cluster « Finn-medi » est un ensemble de centres de recherche médicaux et de technologies liées à la santé, composés des secteurs suivants:

1. Recherche et éducation : hôpitaux, universités, centres de recherche et instituts de santé publique (~ 1 000 personnes)
2. Producteur et fournisseur : environ 50 entreprises (~ 1 100 personnes)
3. Consommateurs des produits et services : (~ 10 000 personnes)

Finn-Medi Research Ltd. appartient à un regroupement de centres médicaux, de recherche et d’organismes publics. Son rôle est de développer de nouvelles techniques biomédicales et expertises techniques, ainsi que la création de nouveau produits et technologies. Au sein de ce bio-cluster Finn-Medi Research est responsable des start-up, de la commercialisation, de la R&D, du développement et des transferts de technologies.

1.2. Industrie des Biomatériaux dans la Région

Trois entreprises de la région sont présentes dans le secteur des biomatériaux :

Bionx Implants Ltd. est un leader mondial pour le développement et la production de prothèses biocompatibles. Cette technologie est basée sur des polymères biocompatibles, céramiques et composites. L’entreprise possède des savoir-faire et plus de 150 brevets mondiaux. L’entreprise a des produits commerciaux et de recherche clinique pour application orthopédique et pour la chirurgie crânienne, maxillo-faciale, thoracique, vertébrale mais aussi dans les secteurs de la neurochirurgie, urologie et la fabrication de tissus. 90 personnes travaillent en Finlande, 98% de la production est dédiée à l’export, dont 60% vers les USA. Les installations permettent la production de prothèses en chambre blanche.

Inion Ltd. développe et manufacture des produits pour application médicale à base de biomatériaux. Le but initial est la chirurgie crânienne et maxillo-faciale (début 2001), mais aussi la chirurgie orthopédique, chirurgie spinale et neurochirurgie, ainsi que la chirurgie des mains. Les matériaux choisis sont des biopolymères et biocéramiques ou un composite des deux.

Carbogem Oy développe des produits en carbone vitreux par carbonisation d’une résine polymère. Ces produits présentent les propriétés suivantes: (a) bioinertes et stables chimiquement, (b) densité variable, (c) porosité inhérente avec des pores de 0.6 à 8 nm, (d) structures avec des porosités plus larges de quelques nanomètres à des micromètres, des gradients de porosité peuvent aussi être établis, (e) matériaux ayant des bonnes propriétés mécaniques.

1.3. Recherche sur les Biomatériaux à l’Université de Technologie de Tampere

La recherche sur les biomatériaux au TUT (Tampere University of Technologies) est réalisée par l’Institut des Biomatériaux, l’Institut des Sciences des Matériaux et l’Institut de Technologie des Fibres et Textiles.

L’Institut des Biomatériaux a une équipe de 40 personnes dont la moitié sont chercheurs. Les thèmes de recherche sont la synthèse, l’étude des structures et propriétés de biopolymères et composites et leurs interactions avec les cellules vivantes et tissus. Le développement des produits consiste en des implants bioabsorbables, instruments de chirurgie et des systèmes bioabsorbables permettant la libération de médicament. Les projets en cours sont:

  • Renforcement de polymères bioabsorbables amorphes ou semi-cristallins par des déformations solides.
  • Développement des polymères bioabsorbables.
  • Développement des composites (polymère bioabsorbable/verre bioactif/fibre de renforcement).
  • Développement de nouveau implants bio absorbable pour fixation os-os et os-tissu.
  • Développement de stents bioabsorbables, extensibles pour application en urologie et gastro-entérologie.
  • L’Institut des Sciences des Matériaux a collaboré dans des projets de recherche, tel que le développement, la production et la modification de surface de structure en céramique poreuse, la pulvérisation de verre-bio et HAP, recouvrement de prothèses dentaire par PVD.

    2. Les activités biocéramiques dans la région de Valence (Espagne)

    2.1. Industrie des Biomatériaux dans la Région de Valence

    Deux entreprises produisent des prothèses orthopédiques métalliques. Les deux recouvrent leurs produits par pulvérisation de matériaux céramique tel que la zircone ou l’hydroxyapatite.

    Industrias Quirurgicas De Levante. Située prés de Valence, elle emploie plus de 100 personnes, IQL fait partie du groupe ‘Biomet-Merk’. La compagnie manufacture une variété de produits orthopédiques et traumatiques, comme des prothèses de hanche en alumine-alumine ou des têtes de fémur en zircone.

    2.2. Recherche sur les Biocéramiques dans la Région de Valence

    L’Institut de Biomécanique de Valence (IBV) est une association à but non lucratif, constituée de partenaires privés et publics intéressés dans le développement de la biomécanique. Cet institut a un rôle de service social, industriel et économique. IBV comprend 68 personnes séparées en trois groupes de recherches (Médical, Sportif et du travail). Des recherches sur des implants orthopédiques sont réalisées au sein de l’institut. IBV offre des services technologiques et scientifiques aux entreprises privées et publiques, et a pour but de développer la compétitivité, le niveau d’innovation, et la diversification des différents secteurs de l’industrie.

    3. Les activités biocéramiques dans la région de Centro (Portugal)

    Recherches sur les Biocéramiques dans la Région de Centro

    Différents projets de recherche sur les biocéramiques sont réalisés au sein de l’unité de recherche sur les matériaux céramiques (U.I.M.C) à l’Université d’Aveiro. Les projets les plus récents sont :

    1. Développement des bioverres et bioverre-céramique : le système de base est CaO-MgO-P2O5-SiO2. Quelques-uns de ces verres sont prometteurs : incorporés dans des matrices polymères, pour améliorer la bioactivité et contrôler les constantes élastiques. De plus les vitro-céramiques étudiées jusqu’a présent présentent une bioactivité modérée in vitro, et sont usinables.

    2. Minéralisation du calcium phospahte in vitro. Les matériaux étudiés sont des hydroxyapatites et hydroxyapatite-tricalcium. On a découvert que l’utilisation de réserve d’hydrogène-carbonate naturel (à la place des tris habituels), augmente la vitesse de minéralisation. Une méthode de mesure par micro-électrodes a été développée pour mesurer les concentrations locales de H+ et Ca2+.

    3. Développement de systèmes métal-céramique pour applications biomédicales. (i) verres bioactifs recouverts de Ti (par pulvérisation et déposition laser). Ces systèmes ont des applications possibles pour la fixation d’implants, (ii) joint Ti-ZrO2 (soudure) pour encapsuler des circuits émettant des RF pour réaliser des diagnostics. Le but est de remplacer l’alliage Ti-ZrO2 par des alliages plus biocompatibles.

    4. Production de composites HAP-Al2O3 par « direct- coagulation casting ».

    5. Optimisation des conditions de synthèse des sol-gel HAP-Al2O3

    6. Composites polymères-HAP. Production de nanoparticules de HAP pour recouvrir la surface des macropores interconnectés d’un polymère. Obtention de particules poreuses de HAP et leur incorporation dans le polymère précédemment recouvert d’HAP, ce qui constitue un composite ayant un gradient de porosité dans la phase céramique.

    4. Les activités biocéramiques dans la région Limousin (France)

    4.1. L’Industrie Biocéramique dans la Région Limousin

    M.I.L. (Matériels Implants Limousin) est une filiale de la compagnie Crystal qui est spécialisée dans la distribution sur le territoire français d’implants orthopédiques et de matériel chirurgical. M.I.L. se situe dans le technopole des hautes technologies de Limoges, et emploit 45 personnes. Bénéficiant des compétences disponibles à Limoges, la compagnie a développé une gamme variée d’implants orthopédiques, basés sur les méthodes les plus avancées de déposition céramique tel que méthode plasma, PVD, électrophorèse…

    Les Implants Traditionnels

    L’utilisation du métal pour la fabrication des implants orthopédiques, si elle s’avère incontournable, n’est pas exempte de problèmes : métalloses, usure, descellements… L’apparition, il y a une quinzaine d’années, de têtes de prothèses de hanche, non plus en métal, mais en céramique massive (alumine ou zircone) a constitué un premier pas. Mais ce nouveau type d’implants n’a pas tenu toutes ses promesses en terme de sécurité : actuellement, même si toutes les sociétés en proposent, seul un tiers des têtes fabriquées est de ce type (250 000 unités environ).

    Convaincue qu’il fallait allier les qualités biochimiques des céramiques aux propriétés mécaniques du métal, ainsi que l’avait déjà fait l’industrie aerospatiale, M.I.L. s’est orientée dès sa création vers la céramisation du métal. Un pari audacieux puisqu’il s’agissait d’éléments implantables dans le corps humain et qu’il fallait rendre, pour ce faire, les céramiques inertes … Un pari réussi puisque 10 ans de recul clinique ont prouvé l’exceptionnelle fiabilité de cette technologie.

    Aujourd’hui, M.I.L. est le seul fabricant à commercialiser une gamme d’implants céramisés, ayant tous obtenu le marquage CE. La société détient l’exclusivité de l’exploitation, pour le domaine médical, de deux procédés différents de céramisation :

    Carbioceram, technologie PVD (tous implants)
    Plasmaceram, technologie par torche Plasma (tous couples de frottement).

    Rachis et Substituts Osseux

    De nouveaux besoins sont apparus sur le marché de l’orthopédie : rachis (colonne vertébrale) et substituts osseux permettant d’éviter les greffes. Les substituts osseux disponibles (phosphates tricalciques ou H.A.P.) sont tous dégradables, la reconstruction osseuse ne peut donc être parfaite. M.I.L. propose en exclusivité, sous la marque Céramil, une gamme d’implants en céramique poreuse, donc sans aucun élément d’origine humaine ou animale, réhabitable par l’os et non dégradable. Ces produits, beaucoup plus sûrs que leurs concurrents, suscitent un fort intérêt dans le monde chirurgical.

    D’autres entreprises de la région font parties du secteur biocéramique tel que Sorevi qui emploie 30 personnes et est spécialisée dans le traitement et les revêtements de surface; de même pour Finimetaux qui emploie 15 personnes.

    4.2. Recherches sur les Biocéramiques dans la Région Limousin

    Le Laboratoire Sciences des Procédés Céramiques et Traitements de Surfaces (SPCTS) travaille dans le domaine des biocéramiques depuis une dizaine d’années, plus particulièrement sur les phosphates de calcium: l’hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HAP) et le phosphate tricalcique Ca3(PO4)2 (TCP).

    Renforcement mécanique de l’hydroxyapatite par l’introduction de plaquettes d’alumine. La ténacité des composites, élaborés par coulage en moule et frittés sous pression, dépend de l’orientation de la contrainte. Dans le cas le plus favorable (30% Al2O3) la ténacité de l’hydroxyapatite a été augmentée de 1 à plus de 4 MPa.m½.

    Fabrication des composites HAP-TCP. La synthèse et la caractérisation chimique et mécanique des phosphates de calcium de formule générale Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x, avec un rapport Ca/P entre 1.500 et 1.710, ont été réalisés. La résistance en flexion dépend fortement du rapport Ca/P et de la température de frittage. Après frittage les pièces sont constituées d’un mélange HAP/TCP. La résistance en flexion passe de 75 MPa pour l’hydroxyapatite stœchiométrique (Ca/P = 1.666) à plus de 150 MPa pour Ca/P = 1.65, soit une teneur en b-TCP de 7.5 %.

    Les vitesse de prolifération et de différentiation d’ostéoblastes trabéculaires humains sur l’hydroxyapatite avec ou sans ions carbonates. Les résultats obtenus soulignent le rôle important des ions carbonates et de l’énergie superficielle du matériau dans les processus d’adhésion. La mesure de la biocompatibilité a été testée par la mise en présence de poudres d’hydroxyapatite et de synoviocytes humains.

    Les travaux à venir concernent la synthèse, le frittage et les propriétés mécaniques du phosphate tricalcique Ca3(PO4)2, ainsi que de l’apatite carbonatée. Enfin le greffage superficiel des matériaux est envisagé.

    Ces études ont été réalisés avec: M. Almeida (Aveiro, Portugal), J.L. Beneytout (Limoges), E. Brès (Lille), J. Cournot (Paris), H.J. Kleebe (Colorado, USA), P. Marie (Paris), M. Nardin (Mulhouse), C. Rey (Toulouse), L. Sedel (Paris). Pour renseignement supplémentaire, contactez Didier Bernache-Assollant ou Eric Champion.

    5. Les activités biocéramiques dans la région de Shannon (Irelande)

    5.1. L’Industrie Biocéramique dans la Région de Shannon

    Stryker Corporation est une entreprise renommée dans le secteur médical, c’est un leader mondial dans l’industrie de la santé. Cette entreprise développe une grande variété de produits pour réparer os et tissus partiellement détériorés par des maladies invalidantes tel que l’arthrose et l’ostéoporose ou endommagés lors d’une blessure ou accident. Stryker Corporation emploie plus de 12000 personnes de part le monde.

    La division Howmedica Osteonics de Stryker a été établie en 1998 à la suite du rachat de Howmedica (l’ancienne division orthopédiques de Pfizer). Stryker corporation a trois entreprises de production en Irlande. Deux sont situées à Carrigtwohill, Co. Cork: Stryker Howmedica Osteonics produit des implants de hanche et genoux principalement pour le marché européen, japonais et sud-est asiatique. Cette division créée en 1998 emploi actuellement 80 personnes. Stryker Instruments emploi 65 personnes pour la fabrication de lames chirurgicales et aiguilles de dissection utilisées dans la chirurgie orthopédique. Stryker Howmedica Osteonics, Limerick, emploi 340 personnes et est spécialisée dans des systèmes complexes d’implants de genoux utilisant des technologies spéciales de coulage. C’est aussi un leader mondial pour les colles et ciments utilisés dans la chirurgie orthopédique, Simplex.

    Stryker Howmedica Osteonics a eut un rôle important dans le développement et la fabrication de prothèses recouverte de céramique hydroxyapatite (HA). Howmedica Osteonics a son propre système de production de poudre HA. Cela permet le strict contrôle des paramètres de pureté et de cristallinité. La marque (testée cliniquement) PureFixTM HA est déposée par technologie plasma, idéale pour le recouvrement de surface sur lesquelles des os pourront se développer. Stryker Howmedica Osteonics développe aussi PureFixTM PeriapatiteTM (PureFixTM PA) une technique de recouvrement par hydroxyapatite, qui permet de recouvrir complètement une surface poreuse (porosités facilitant l’implantation de nouvelles structures osseuses). Le PureFixTM PA est déposé en utilisant un procédé de précipitation en milieu aqueux à basse température. Ce procédé permet un fin recouvrement de 20µm de HA (cristallin à 100%) sur la surface, sans boucher les pores (porosités facilitant l’implantation de nouvelles structures osseuses).

    Stryker Howmedica Osteonics offre une grande variété d’implants de hanche. L’implant fémoral peut être implanté avec différents couples de matériaux tel que métal sur polyéthylène, céramique sur polyéthylène, et céramique sur céramique. Les systèmes céramiques sur polyéthylène utilisent le plus souvent des têtes en zircone avec des inserts acetabulaires en polyéthylène. Ce système est meilleur que le système métal – polyéthylène car il y a moins d’usure au niveau de l’articulation. Sur le système céramique sur céramique supportant la hanche, les inserts acetubulaires et les têtes sont en alumine. Les couples de matériaux en alumine représentent une baisse significative dans le volume des débris d’usure au niveau de l’articulation et ainsi réduit le problème d’acroostéolyse.

    5.2. Recherches sur les Biomatériaux à l’Université de Limerick

    Les chercheurs du Département des Sciences et Technologies des Matériaux et d’un institut récemment établi : l’Institut des Matériaux et Sciences des Surfaces de l’Université de Limerick (UL) ont répondu au développement du secteur des biomatériaux. Les recherches en cours concernent les biomatériaux clés tel que hydrogels, céramiques, polymères spéciaux utilisés pour les prothèses de la hanche, et colles pour fixation de prothèse dentaire. Plusieurs projets, spécifiques aux biocéramiques sont listés ci-dessous:

    1. Porcelaine Dentaire à Très Bas Point de Fusion.
    Dans les verres hydrothermals, développés par Ducera Dental, qui ont des bas points de fusion, l’eau est incorporée dans le verre silicate, coupant ainsi certaines liaisons des groupes hydroxyles, ce qui disloque le réseau du verre, le rend plus stable thermiquement, réduit la température de transition, diminue la viscosité et augmente le coefficient d’expansion thermique. Des études précédemment réalisées à UL donnent beaucoup d’informations sur le rôle de la fluorine dans les verres.
    Le but de ces recherches est maintenant de développer des verres hautement disloqués, à base de fluorine, verres contenant des alumino-silicates avec des verres à bas point de fusion et de grandes constantes d’expansion thermique. Ces verres sont capables de se lier à des alliages de métaux précieux résistants à l’usure.

    2. Implants de Tissus Artificiels.
    Ce projet implique le développement d’un biomatériau se résorbant rapidement, constitué de verres bio actifs pour aider le développement de l’os. Le but est de produire des biomatériaux hybrides où les ostéoblastes s’incorporeraient dans la structure du verre bioactif. Ce type de matériau doit permettre la croissance de l’os tout au long de la prothèse contrairement au schéma de croissance associé aux matériaux couramment utilisés dans ces prothèses.

    3. Relations Composition/Structures/Propriétés de Durcisseur Dentaire à Base de Verre Ionomeres.
    Le but est d’améliorer la résistance au choc ainsi que la résistance à l’usure d’un verre polyalkenoate formé à partir d’ions fluoro-alumino-silicate et de poly(acrylic acid). Ce matériau a un large potentiel en tant que durcisseur dentaire pour larges cavités type 1 et 2. En effet ce produit permettrait d’éviter l’étape de polymérisation des durcisseurs habituels. La polymérisation des résines dentaires est souvent associée à des fuites dues à la contraction du polymère et peut induire la formation d’une deuxième carie. La présence des ions fluor dans ce durcisseur devrait aussi inhiber la formation de caries. De plus la capacité des verres polyalkenoates à se lier chimiquement à la phase apatite de l’émail et dentine, permet d’assurer une bonne cohésion et le transfert de pression dans la dent réparée.

    4. Réticulation de Durcisseur Verre Iononere (GICs)
    GIC sont des composites constitués d’un acide polycarboxylique et d’un verre « ion leachable ». D’autres variantes sont aussi utilisées dans des applications telles que (a) colle (durcisseur) pour fixation d’os, (b) colle pour fixation prosthétique, (c) application orthopédique, dentaire, maxillo-faciale, (d) remplacement d’os, (e) matériaux de réparation dentaire. Beaucoup de travail a été réalisé sur les propriétés mécaniques, chimiques et biologiques en fonction de la composition. Les propriétés mécaniques sont dépendantes de la masse moléculaire du polymère et sont limitées par le Mw qui peut être obtenu lors de la fabrication de la colle.

    5. Développement de Céramiques Usinables et Applications en Ingénierie
    Des vitro-céramiques à base de mica (formées par fusion et cristallisation de verre magnésium fluoro-alumino-silicate) sont étudiées dans le but de développer des vitrocéramiques usinables pour le secteur dentaire et l’ingénierie.

    6. Les activités biocéramiques dans la région Nord pas de Calais (France)

    Recherches sur les Biocéramiques dans la Région Nord Pas de Calais (France)

    Plusieurs projets de recherche sur les biocéramiques sont en cours au Laboratoire des Matériaux Avancés (LAMAC) de l’Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis.

    1. Synthèse de HAP pur et de poudre b-TCP ayant une aire de surface déterminée, par co-précipitation de nitrate de calcium et de di-amonium hydrogène phosphate. Les précipités sont calcinés et broyés pour obtenir une poudre ayant une aire de surface adéquate pour la préparation de barbotine.

    2. Fabrication de biocéramiques macroporeuses HAP et b-TCP caractérisées par une architecture contrôlée. Différentes méthodes de fabrication ont été développées pour obtenir une structure macro poreuse permettant la colonisation du substitut osseux par de nouvelle formations osseuses.

    3. Synthèse de verres bioréactifs, verres au fluor et bore. Le but de cette étude et d’abaisser la température de synthèse par rapport à la composition de Hench 45S5 pour le recouvrement du verre en substituant CaO par CaF2 et SiO2 par B2O3.

              
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