Verre bioactif - Bioactive glass

Verre bioactif vu au microscope électronique

Les verres bioactifs sont un groupe de biomatériaux vitrocéramiques réactifs en surface et comprennent le verre bioactif d'origine, le Bioglass ® . La biocompatibilité et la bioactivité de ces verres les ont conduits à être utilisés comme dispositifs d' implant dans le corps humain pour réparer et remplacer les os malades ou endommagés . La plupart des verres bioactifs sont des verres à base de silicate qui sont dégradables dans les fluides corporels et peuvent servir de véhicule pour délivrer des ions bénéfiques pour la guérison. Le verre bioactif se différencie des autres biomatériaux synthétiques de greffe osseuse (ex. hydroxyapatite , phosphate de calcium biphasique, sulfate de calcium), en ce qu'il est le seul à avoir des propriétés anti-infectieuses et angiogéniques .

Histoire

Découverte et développement

Larry Hench et ses collègues de l' Université de Floride ont développé ces matériaux pour la première fois en 1969 et ils ont été développés par son équipe de recherche à l' Imperial College de Londres et d'autres chercheurs du monde entier. Hench a commencé le développement en soumettant une hypothèse de proposition au commandement de la recherche et du développement médial de l'armée américaine en 1968, basée sur sa théorie du corps rejetant les matériaux métalliques ou polymères à moins qu'il ne soit capable de former un revêtement d' hydroxyapatite qui se trouve dans les os. Hench et son équipe ont reçu un financement pour un an et ont commencé à développer ce qui allait devenir la composition 45S5. Le nom " Bioglass ® " a été déposé par l'Université de Floride comme nom de la composition originale 45S5. Il ne doit donc être utilisé qu'en référence à la composition 45S5 et non comme un terme général pour les verres bioactifs.

Grâce à l'utilisation d'un diagramme de phase, Hench a choisi une composition de 45% , 24,5% , 24,5% et 6% pour permettre une grande quantité et certains dans une matrice. Le verre a été mis en lots, fondu et coulé dans de petits implants rectangulaires à insérer dans l'os fémoral de rats pendant six semaines, comme développé par le Dr Ted Greenlee de l'Université de Floride. Après six semaines, le Dr Greenlee a rapporté « Ces implants en céramique ne sortiront pas de l'os. Ils sont collés en place. Je peux les pousser, je peux les pousser, je peux les frapper et ils ne bougent pas. Les commandes se contrôlent facilement. glisser." Ces découvertes ont été à la base du premier article sur le verre bioactif 45S5 en 1971 qui résumait que des expériences in vitro dans une solution déficiente en ions calcium et phosphate ont montré une couche développée d'hydroxyapatite similaire à l'hydroxyapatite observée plus tard in vivo par le Dr Greenlee.

Tests sur des animaux

Des scientifiques d'Amsterdam, aux Pays-Bas, ont pris des cubes de verre bioactif et les ont implantés dans les tibias de cobayes en 1986. Après 8, 12 et 16 semaines d'implantation, les cobayes ont été euthanasiés et leurs tibias ont été récoltés. Les implants et les tibias ont ensuite été soumis à un test de résistance au cisaillement pour déterminer les propriétés mécaniques de l'implant à la limite osseuse, où il s'est avéré avoir une résistance au cisaillement de 5 N/mm 2 . La microscopie électronique a montré que les implants en céramique avaient des restes osseux fermement adhérés. Une microscopie optique supplémentaire a révélé une croissance de cellules osseuses et de vaisseaux sanguins dans la zone de l'implant, preuve de la biocompatibilité entre l'os et l'implant.

Le verre bioactif a été le premier matériau à créer un lien fort avec le tissu osseux vivant.

Structure

La spectroscopie RMN à l'état solide a été très utile pour déterminer la structure des solides amorphes . Les verres bioactifs ont été étudiés par spectroscopie RMN MAS à l' état solide 29 Si et 31 P. Le déplacement chimique par rapport à la RMN MAS indique le type d'espèce chimique présente dans le verre. La spectroscopie RMN 29 Si MAS a montré que le Bioglass 45S5 était une structure de type Q2 avec une petite quantité de Q3 ; c'est-à-dire des chaînes de silicate avec quelques reticulations. La RMN 31 P MAS a révélé une prédominance d'espèces Q0 ; c'est-à-dire PO 4 3- ; des mesures ultérieures de spectroscopie RMN MAS ont montré que les liaisons Si-OP sont inférieures aux niveaux détectables

Compositions

Il y a eu de nombreuses variations sur la composition originale qui a été approuvée par la Food and Drug Administration (FDA) et appelée Bioglass. Cette composition est connue sous le nom de Bioglass 45S5 . Les autres compositions comprennent :

Structure moléculaire du bioverre

Bioverre 45S5

Article principal: Bioglass 45S5

La composition a été choisie à l'origine parce qu'elle était à peu près eutectique .

Le nom 45S5 signifie verre avec 45 % en poids de SiO 2 et un rapport molaire de 5:1 entre le calcium et le phosphore. Les rapports Ca/P inférieurs ne se lient pas à l'os.

Les principales caractéristiques de composition du Bioglass sont qu'il contient moins de 60 % en moles de SiO 2 , des teneurs élevées en Na 2 O et CaO, un rapport CaO/P 2 O 5 élevé, ce qui rend Bioglass hautement réactif au milieu aqueux et bioactif.

Une bioactivité élevée est le principal avantage du bioverre, tandis que ses inconvénients incluent une faiblesse mécanique, une faible résistance à la rupture due au réseau de verre amorphe bidimensionnel. La résistance à la flexion de la plupart des Bioglass est comprise entre 40 et 60 MPa , ce qui n'est pas suffisant pour une application portante. Son module de Young est de 30 à 35 GPa, très proche de celui de l'os cortical , ce qui peut être un avantage. Les implants en bioverre peuvent être utilisés dans des applications non porteuses, pour des implants enterrés chargés légèrement ou en compression. Le bioverre peut également être utilisé comme composant bioactif dans les matériaux composites ou sous forme de poudre. Parfois, le Bioglass peut être transformé en cocaïne artificielle. Cela n'a pas d'effets secondaires connus.

La première utilisation chirurgicale réussie du Bioglass 45S5 a été le remplacement des osselets dans l' oreille moyenne , en tant que traitement de la surdité de transmission . L'avantage du 45S5 est de ne pas avoir tendance à former du tissu fibreux. D'autres utilisations sont dans les cônes à implanter dans la mâchoire suite à une extraction dentaire . Les matériaux composites en Bioglass 45S5 et l'os du patient peuvent être utilisés pour la reconstruction osseuse.

Le bioverre est relativement doux par rapport aux autres verres. Il peut être usiné , de préférence avec des outils diamantés, ou broyé en poudre. Le bioverre doit être stocké dans un environnement sec, car il absorbe facilement l'humidité et réagit avec elle.

Le Bioglass 45S5 est fabriqué selon une technologie verrière conventionnelle, utilisant des creusets en platine ou en alliage de platine pour éviter la contamination. Les contaminants interféreraient avec la réactivité chimique dans l'organisme. Le recuit est une étape cruciale dans la formation de pièces en vrac, en raison de la dilatation thermique élevée du matériau.

Le traitement thermique du Bioglass réduit la teneur en oxydes de métaux alcalins volatils et précipite les cristaux d'apatite dans la matrice de verre. Le matériau vitrocéramique résultant, nommé Ceravita, a une résistance mécanique plus élevée et une bioactivité plus faible.

Bioverre S53P4

Article principal: verre bioactif S53P4

La formule de S53P4 a été développée pour la première fois au début des années 1990 à Turku, en Finlande, à l'université Åbo Akademi et à l'université de Turku. Il a reçu la revendication de produit pour une utilisation dans le comblement de la cavité osseuse dans le traitement de l'ostéomyélite chronique en 2011. Le S53P4 est l'un des verres bioactifs les plus étudiés du marché avec plus de 150 publications.

Lorsque le verre bioactif S53P4 est placé dans la cavité osseuse, il réagit avec les fluides corporels pour activer le verre. Au cours de cette période d'activation, le verre bioactif subit une série de réactions chimiques, créant les conditions idéales pour la reconstruction osseuse par ostéoconduction.

  • Les ions Na, Si, Ca et P sont libérés.
  • Une couche de gel de silice se forme sur la surface du verre bioactif.
  • Le CaP cristallise, formant une couche d'hydroxyapatite à la surface du verre bioactif.

Une fois la couche d'hydroxyapatite formée, le verre bioactif interagit avec des entités biologiques, à savoir les protéines sanguines, les facteurs de croissance et le collagène. Suite à ce processus interactif, ostéoconducteur et ostéostimulant, un nouvel os se développe sur et entre les structures de verre bioactives.

  • Le verre bioactif se lie à l'os, ce qui facilite la formation de nouveaux os.
  • L'ostéostimulation commence par stimuler les cellules ostéogéniques pour augmenter le taux de remodelage osseux.
  • La qualité radio-dense du verre bioactif permet une évaluation post-opératoire.

Dans la phase finale de transformation, le processus de régénération et de remodelage osseux se poursuit. Au fil du temps, l'os se régénère complètement, rétablissant l'anatomie naturelle du patient.

  • Une consolidation osseuse se produit.
  • Le verre bioactif S53P4 continue de se remodeler en os sur une période de plusieurs années.

Le verre bioactif S53P4 est actuellement le seul verre bioactif sur le marché dont il a été prouvé qu'il inhibe efficacement la croissance bactérienne. Les propriétés d'inhibition de la croissance bactérienne du S53P4 découlent de deux processus chimiques et physiques simultanés, se produisant une fois que le verre bioactif réagit avec les fluides corporels. Le sodium (Na) est libéré de la surface du verre bioactif et induit une augmentation du pH (milieu alcalin), ce qui n'est pas favorable aux bactéries, inhibant ainsi leur croissance. Les ions Na, Ca, Si et P libérés provoquent une augmentation de la pression osmotique due à une élévation de la concentration en sel, c'est-à-dire un environnement où les bactéries ne peuvent pas se développer.

Aujourd'hui, le verre bioactif S53P4 est fabriqué et distribué par Bonalive Biomaterials (Turku, Finlande) sous le nom de produit Bonalive® granules. Les produits sont utilisés chez les patients adultes et pédiatriques pour le comblement des cavités osseuses, des vides et des lacunes, ainsi que pour la reconstruction ou la régénération des défauts osseux. Le verre bioactif S53P4 a été utilisé avec succès dans les infections osseuses (par exemple, les pseudarthroses septiques et l'ostéomyélite chronique ), les traumatismes, la chirurgie de la colonne vertébrale, les tumeurs osseuses bénignes et la chirurgie mastoïdienne. Le verre bioactif S53P4 est également utilisé dans les implants composites renforcés de fibres de verre pour la chirurgie osseuse produits par Skulle Implants Corporation à Turku, en Finlande (www.skulleimplants.com).

Bioverre 8625

Le Bioglass 8625, également appelé Schott 8625, est un verre sodocalcique utilisé pour l'encapsulation des dispositifs implantés . L'utilisation la plus courante du Bioglass 8625 est dans les boîtiers des transpondeurs RFID pour une utilisation dans les implants de micropuces humains et animaux . Il est breveté et fabriqué par Schott AG . Le Bioglass 8625 est également utilisé pour certains piercings .

Le Bioglass 8625 ne se lie pas aux tissus ou aux os, il est maintenu en place par encapsulation de tissu fibreux . Après implantation, une couche riche en calcium se forme à l'interface entre le verre et le tissu. Sans revêtement anti-migration supplémentaire, il est sujet à une migration dans le tissu. Le revêtement anti-migration est un matériau qui se lie à la fois au verre et au tissu. Le parylène , généralement le parylène de type C, est souvent utilisé comme matériau.

Le Bioglass 8625 a une teneur importante en fer , qui assure l'absorption de la lumière infrarouge et permet le scellement par une source lumineuse, par exemple un laser Nd:YAG ou une lampe à vapeur de mercure . La teneur en Fe 2 O 3 donne une absorption élevée avec un maximum à 1100 nm, et donne au verre une teinte verte. L'utilisation d'un rayonnement infrarouge au lieu d'une flamme ou d'un chauffage par contact permet d'éviter la contamination de l'appareil.

Après implantation, le verre réagit avec l'environnement en deux phases, en l'espace d'environ deux semaines. Dans la première phase, les ions alcalins sont lixiviés du verre et remplacés par des ions hydrogène ; une petite quantité d'ions calcium diffuse également à partir du matériau. Au cours de la deuxième phase, les liaisons Si-O-Si dans la matrice de silice subissent une hydrolyse , produisant une couche superficielle de type gel riche en groupes Si-OH. Une couche de passivation riche en phosphate de calcium se forme progressivement à la surface du verre, empêchant une nouvelle lixiviation.

Il est utilisé dans les puces électroniques pour le suivi de nombreux types d'animaux, et récemment dans certains implants humains. La Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a approuvé l'utilisation du Bioglass 8625 chez l'homme en 1994.

Bioverre 13-93

Par rapport au Bioglass 45S5, le verre bioactif au silicate 13-93 est composé d'une composition plus élevée de SiO 2 et comprend K 2 O et MgO. Il est disponible dans le commerce auprès de Mo-Sci Corp. ou peut être directement préparé en faisant fondre un mélange de Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , MgCO 3 , CaCO 3 , SiO 2 et NaH 2 PO 4 · 2H 2 O dans une creuset à 1300 °C et trempe entre plaques en acier inoxydable.

Le verre 13-93 a reçu l'approbation pour une utilisation in vivo aux États-Unis et en Europe. Il a un comportement d'écoulement visqueux plus facile et une tendance plus faible à cristalliser lorsqu'il est tiré en fibres. La poudre de verre bioactif 13-93 pourrait être dispersée dans un liant pour créer de l'encre pour la technique de robocasting ou d'impression 3D à encre directe. Les propriétés mécaniques des échafaudages poreux résultants ont été étudiées dans divers ouvrages de la littérature.

L'échafaudage en verre bioactif 13-93 imprimé dans l'étude de Liu et al. a été séché à l'air ambiant, cuit à 600 °C sous atmosphère de 02 pour éliminer les additifs de traitement, et fritté à l'air pendant 1 heure à 700 °C. Dans l'échantillon vierge, la résistance à la flexion (11 ± 3 MPa) et le module de flexion (13 ± 2 MPa) sont comparables à la valeur minimale de ceux des os trabéculaires tandis que la résistance à la compression (86 ± 9 MPa) et le module de compression (13 ± 2 GPa) sont proches des valeurs de l' os cortical . Cependant, la ténacité à la fracture de l'échafaudage tel que fabriqué était de 0,48 ± 0,04 MPa.m 1/2 , ce qui indique qu'il est plus fragile que l'os cortical humain dont la ténacité à la fracture est de 2 à 12 MPa.m 1/2 . Après immersion de l'échantillon dans un fluide corporel simulé (SBF) ou implantation sous - cutanée dans le dos de rats, la résistance à la compression et le module de compression diminuent fortement au cours des deux premières semaines mais plus progressivement après deux semaines. La diminution des propriétés mécaniques a été attribuée à la conversion partielle des filaments de verre dans les échafaudages en une couche principalement composée d'un matériau poreux de type hydroxyapatite.

Un autre travail de Kolan et de ses collègues a utilisé le frittage laser sélectif au lieu du traitement thermique conventionnel. Après l'optimisation de la puissance laser, de la vitesse de balayage et de la vitesse de chauffage, la résistance à la compression des échafaudages frittés variait de 41 MPa pour un échafaudage avec une porosité d'environ 50 % à 157 MPa pour des échafaudages denses. L' étude in vitro utilisant le SBF a entraîné une diminution de la résistance à la compression, mais la valeur finale était similaire à celle de l'os trabéculaire humain.

13-93 échafaudages en verre poreux ont été synthétisés en utilisant une méthode de réplication de mousse de polyuréthane dans le rapport de Fu et al. La relation contrainte-déformation a été examinée à partir du test de compression en utilisant huit échantillons avec une porosité de 85 ± 2%. La courbe résultante a démontré une dégradation progressive de la structure de l'échafaudage et une résistance à la compression moyenne de 11 ± 1 MPa, qui était de l'ordre de l'os trabéculaire humain et supérieure à celle des matériaux bioactifs concurrents pour la réparation osseuse tels que les échafaudages d'hydroxyapatite avec la même étendue de pores et composites polymère-céramique préparés par la méthode de séparation de phases induite thermiquement (TIPS).

Mécanisme d'activité

Les mécanismes sous-jacents qui permettent aux verres bioactifs d'agir comme matériaux pour la réparation osseuse ont été étudiés depuis les premiers travaux de Hench et al. à l' Université de Floride . Une attention précoce a été accordée aux changements de la surface du verre bioactif. On pense généralement que cinq étapes de réaction inorganique se produisent lorsqu'un verre bioactif est immergé dans un environnement physiologique :

  1. Une image étape par étape de l'intégration du verre bioactif avec l'os
    Échange d'ions dans lequel les cations modificateurs (principalement Na + ) dans le verre échangent avec des ions hydronium dans la solution externe.
  2. Hydrolyse dans laquelle les ponts Si-O-Si sont rompus, formant des groupes Si-OH silanol, et le réseau vitreux est rompu.
  3. Condensation de silanols dans laquelle le réseau de verre rompu change de morphologie pour former une couche superficielle semblable à un gel, appauvrie en ions sodium et calcium.
  4. Précipitation dans laquelle une couche de phosphate de calcium amorphe est déposée sur le gel.
  5. Minéralisation dans laquelle la couche de phosphate de calcium se transforme progressivement en hydroxyapatite cristalline, qui imite la phase minérale naturellement contenue dans les os des vertébrés.

Plus tard, il a été découvert que la morphologie de la couche de surface du gel était un élément clé dans la détermination de la réponse bioactive. Ceci a été soutenu par des études sur les verres bioactifs dérivés du traitement sol-gel . De tels verres pourraient contenir des concentrations significativement plus élevées de SiO 2 que les verres bioactifs traditionnels dérivés de la masse fondue tout en conservant leur bioactivité (c'est-à-dire la capacité de former une couche d'hydroxyapatite minéralisée à la surface). La porosité inhérente du matériau dérivé du sol-gel a été citée comme explication possible de la raison pour laquelle la bioactivité a été conservée et souvent améliorée par rapport au verre dérivé de la fusion.

Les progrès ultérieurs de la technologie des puces à ADN ont permis une toute nouvelle perspective sur les mécanismes de la bioactivité dans les verres bioactifs. Auparavant, on savait qu'il existait une interaction complexe entre les verres bioactifs et la biologie moléculaire de l'implant hôte, mais les outils disponibles ne fournissaient pas une quantité d'informations suffisante pour développer une image holistique. À l'aide de puces à ADN, les chercheurs sont désormais en mesure d'identifier des classes entières de gènes régulés par les produits de dissolution des verres bioactifs, ce qui donne ce qu'on appelle la "théorie génétique" des verres bioactifs. Les premières études de microréseau sur les verres bioactifs ont démontré que les gènes associés à la croissance et à la différenciation des ostéoblastes , au maintien de la matrice extracellulaire et à la promotion de l'adhésion cellule-cellule et cellule-matrice étaient régulés à la hausse par des milieux de culture cellulaire conditionnés contenant les produits de dissolution du verre bioactif.

Utilisations médicales

Le verre bioactif S53P4 a d'abord été utilisé dans un contexte clinique comme alternative aux greffes osseuses ou cartilagineuses dans la chirurgie de reconstruction faciale. L'utilisation de matériaux artificiels comme prothèse osseuse avait l'avantage d'être beaucoup plus polyvalente que les autogreffes traditionnelles , ainsi que d'avoir moins d'effets secondaires postopératoires.

Il existe des preuves provisoires que le verre bioactif par la composition S53P4 peut également être utile dans les infections des os longs . Cependant, le soutien des essais contrôlés randomisés n'est toujours pas disponible en 2015.

Voir également