Les biocéramiques pénètrent dans notre corps

Depuis le 21e siècle, les nouveaux matériaux se sont progressivement imposés dans notre vie quotidienne. En tant que nouveau matériau, la biocéramique a apporté une grande commodité à la vie et à la santé des gens, et a fait l'objet d'une attention croissante dans le domaine des dispositifs médicaux et des matériaux biomédicaux au cours des dernières années.

Les biocéramiques sont des matériaux céramiques utilisés pour des fonctions biologiques ou physiologiques spécifiques, c'est-à-dire des matériaux céramiques directement utilisés dans le corps humain ou directement liés au corps humain, comme la biologie, la médecine et la biochimie. Il est largement utilisé en orthopédie, en dentisterie, en chirurgie plastique, en chirurgie buccale, en chirurgie cardiovasculaire et en chirurgie oculaire en raison de sa bonne biocompatibilité et de ses propriétés physicochimiques stables.

En fonction de l'utilisation des différentes biocéramiques, on peut distinguer les biocéramiques de plantation et les biocéramiques de bio-ingénierie ; on peut également distinguer les biocéramiques actives et les biocéramiques inertes en fonction de l'activité des biocéramiques in vivo. La présente actualité classe les biocéramiques de cette dernière catégorie comme suit.

Céramiques bioinertes

Les céramiques bioinertes ont des propriétés chimiques stables et une bonne biocompatibilité, comme l'alumine, la zircone, etc., et leurs propriétés physiques et mécaniques ainsi que leurs propriétés fonctionnelles correspondent à celles des tissus humains. Leurs principales caractéristiques sont une résistance mécanique élevée et une forte résistance à l'usure.

Zircone (ZrO2)

Les céramiques de zircone sont de loin les matériaux de restauration dentaire les plus résistants et sont largement utilisées dans les prothèses orthopédiques de la hanche. Les matériaux en zircone et les ostéoblastes ont été cultivés ensemble in vitro et la biocompatibilité a été confirmée. En orthopédie, les céramiques de zircone sont principalement utilisées pour les articulations artificielles de la hanche. Cependant, la force d'adhérence des céramiques de zircone est insuffisante, ce qui affecte la stabilité de l'adhérence. À l'heure actuelle, davantage de méthodes de traitement de surface telles que la gravure à l'acide et le sablage sont appliquées pour améliorer les performances d'adhérence des céramiques. En outre, la fragilité de la céramique de zircone affecte son utilisation, c'est pourquoi les gens adoptent généralement des méthodes de durcissement pour l'améliorer.

Alumine (Al2O3)

Dans les années 1970, les céramiques d'alumine ont commencé à être utilisées dans les prothèses totales de hanche (PTH). Les céramiques d'alumine d'une dureté supérieure à 2000 HV ne sont que légèrement toxiques pour les fibroblastes humains in vitro, et leurs propriétés mécaniques restent inchangées pendant une longue période dans l'environnement interne. Grâce à l'application de la plastie sous pression thermo-isostatique et de la technologie de gravure au laser, la taille des grains des céramiques d'alumine de trois générations est plus petite, la pureté et la densité sont plus élevées, la résistance et la dureté sont considérablement accrues et le taux de fragmentation est réduit. La dureté élevée et la bonne résistance à l'usure des céramiques d'alumine en font le principal matériau biologique des prothèses orthopédiques.

Carbure de silicium（SiC）

Ces dernières années, on a essayé d'appliquer les céramiques de carbure de silicium dans le domaine de la médecine bucco-dentaire. En tant que matériau d'implant, les céramiques de carbure de silicium sont de plus en plus prisées par la recherche scientifique et la recherche clinique, et des travaux exploratoires ont été menés sur les aspects de la biocompatibilité et de la toxicité. Un revêtement de verre biologique a été préparé sur la surface des céramiques de carbure de silicium, ce qui a permis de renforcer l'activité biologique des céramiques de carbure de silicium.

Céramiques bioactives

Les céramiques bioactives, également connues sous le nom de céramiques biodégradables, comprennent les céramiques bioactives de surface et les céramiques bioabsorptives. Les céramiques biosurfactantes contiennent généralement des hydroxyles et peuvent être poreuses, ce qui permet aux tissus biologiques de se développer et de se lier fermement à leur surface. Les céramiques bioabsorbables se caractérisent par une absorption partielle ou totale et induisent la croissance de nouveaux os dans l'organisme. Les céramiques bioactives comprennent le verre bioactif (phosphate de calcium), les céramiques d'hydroxyapatite et les céramiques de phosphate tricalcique.

Les céramiques d'hydroxyapatite (HAP)

Afin d'améliorer les propriétés mécaniques de l'hydroxyapatite, les propriétés mécaniques de la HAP compacte préparée ont été améliorées. Cependant, sa porosité apparente est relativement faible. Après implantation dans le corps humain, seul de l'os peut se former à la surface, ce qui ne permet pas d'induire la formation osseuse et ne peut être utilisé que comme échafaudage pour la formation osseuse.

C'est pourquoi la recherche se concentre sur les céramiques poreuses à base d'hydroxyapatite. Il a été constaté que l'implant poreux en phosphore de calcium imitait la structure de la matrice osseuse et avait une induction osseuse, ce qui pouvait fournir un échafaudage et un canal pour la croissance d'un nouveau tissu osseux. Par conséquent, la réponse tissulaire de l'implant après l'implantation était nettement meilleure que celle des céramiques denses.

Céramique de bioglass

Le principal composant de la céramique de verre biologique est le CaO-Na2O-SiO2-P2O5, qui contient plus de calcium et de phosphore que le verre à vitre ordinaire et peut se lier chimiquement à l'os de manière naturelle et solide. Elle possède des propriétés uniques qui la distinguent des autres matériaux biologiques, et elle peut rapidement subir une série de réactions de surface sur le site d'implantation, conduisant finalement à la formation d'une couche d'apatite à base de carbonate. La biocompatibilité des céramiques de verre biologique est bonne. Les matériaux sont implantés dans le corps sans rejet, sans inflammation et sans nécrose des tissus, et peuvent former une liaison osseuse avec l'os.

À l'heure actuelle, ce matériau a été utilisé pour réparer les petits os de l'oreille et a un bon effet sur la récupération de l'audition. Cependant, il ne peut être utilisé que dans les parties du corps où la force est faible en raison de sa faible intensité. Le matériau préparé par la méthode sol-gel se caractérise par une bonne pureté, une grande homogénéité, une bonne activité biologique et une grande surface spécifique, ce qui présente une meilleure valeur pour la recherche et l'application. En particulier, le matériau poreux en verre bioactif a de bonnes chances d'être utilisé comme échafaudage pour l'ingénierie des tissus osseux.

Sulfate de calcium

Le sulfate de calcium médical, en tant que cristal semi-hydraté, n'a pas d'effet évident sur le niveau de calcium sérique dans le corps après une dégradation complète. Après combinaison avec de l'eau, il peut devenir un implant solide et être utilisé comme vecteur d'antibiotiques hydrosolubles. Le sulfate de calcium s'auto-coagule à basse température et n'endommage pas les tissus nerveux périphériques ; il a un potentiel d'induction osseuse et de libération d'ions calcium. Dans la coopération d'un environnement faiblement acide, les ions calcium locaux élevés peuvent se lier au récepteur sensible au calcium des ostéoblastes pour promouvoir la prolifération et la différenciation des cellules osseuses et réguler la formation d'ostéoïde. Cependant, la capacité ostéogénique des stents en sulfate de calcium pur est limitée, et ce n'est qu'en présence du périoste que les stents en sulfate de calcium peuvent avoir d'autres propriétés ostéogéniques.

Points chauds des biocéramiques

Matériau composite

Afin d'améliorer les propriétés mécaniques, la stabilité et la biocompatibilité des biocéramiques, de nombreux spécialistes des matériaux ont effectué de nombreuses recherches sur les biocéramiques composites. Les matériaux matriciels courants comprennent les matériaux polymères biologiques, les matériaux en carbone, le verre biologique, les biocéramiques à base de phosphate de calcium et d'autres matériaux, tandis que les matériaux de renforcement comprennent la fibre de carbone, la fibre d'acier inoxydable ou d'alliage à base de cobalt, la fibre de céramique bioglass, la fibre de céramique et d'autres renforts en fibre. En outre, il existe de la zircone, des biocéramiques à base de phosphate de calcium, des céramiques à base de verre biologique et d'autres renforçateurs de particules.

La nanotechnologie

En raison des propriétés uniques des matériaux nanométriques, telles que l'effet de surface, l'effet de petite taille et l'effet quantique, les matériaux biocéramiques nanométriques ont de vastes perspectives d'application, qui seront très performantes dans le domaine de la fabrication et de l'application clinique des matériaux de remplacement des tissus durs, tels que les os artificiels, les articulations artificielles et les dents artificielles.

En ce qui concerne les céramiques bioactives, la principale recherche actuelle consiste à simuler une structure osseuse naturelle fine. Dans l'os naturel, l'hydroxyapatite se compose principalement de cristaux d'aiguilles de 10 à 60 nm de long et de 2 à 6 nm de large. Par conséquent, la recherche actuelle sur les nanomatériaux d'hydroxyapatite se concentre principalement sur les nanocristaux d'hydroxyapatite, les composites d'hydroxyapatite et de polymères et les matériaux de revêtement d'hydroxyapatite.