Dans le domaine de la réparation osseuse, on s'intéresse de plus en plus aux matériaux injectables et autodurcissants pouvant être implantés par une chirurgie peu invasive. Les ciments à base de carbonates de calcium ont été proposés pour des applications en tant que substituts osseux bioactifs et plus résorbables par rapport aux ciments phosphocalciques bien connus. Par ailleurs, l'association de polysaccharides aux ciments phosphocalciques a été développée comme une stratégie prometteuse pour adapter leurs propriétés physicochimiques, mécaniques, biologiques et de mise en œuvre. Dans ce contexte, nous avons élaboré et caractérisé des ciments composites à base de carbonates de calcium et de chitosane natif ou chimiquement modifié en vue d’améliorer et de contrôler le temps de prise et l’injectabilité de la pâte, sa cohésion ainsi que la composition finale et les propriétés mécaniques du ciment durci en vue de répondre autant que possible aux exigences cliniques en termes de résorbabilité et de mise en œuvre du matériau.
Des poudres de carbonate de calcium amorphe stabilisé au magnésium et de vatérite ont été synthétisées par la méthode de double décomposition, puis mélangées avec une phase liquide à base d’eau ou bien d’une solution contenant différentes quantités de chitosane natif acido-soluble ou de chitosane phosphorylé hydrosoluble synthétisé par la méthode CH3SO3H/P2O5. La composition, la microstructure, le mécanisme et temps de prise, l'injectabilité et les propriétés mécaniques des ciments composites ainsi élaborés ont été caractérisés en utilisant des techniques complémentaires (DRX, spectroscopie FTIR, MEB, mesures du temps de prise, de l’injectabilité, de la résistance à la compression et de la porosité). Les résultats obtenus montrent que les ciments associés au chitosan natif sont principalement composés d'aragonite, tandis que ceux associés au chitosane phosphorylé sont principalement composés de vatérite ; dans les deux cas un peu de calcite magnésienne est également présente. Le mécanisme de réaction de prise est cinétiquement modifié par la présence de chitosane natif ralentissant la dissolution de la vatérite et la formation d’aragonite avec un effet dose-dépendant. Dans le cas du ciment contenant du chitosane phosphorylé, la vatérite est totalement stabilisée, inhibant ainsi totalement sa recristallisation en aragonite. La formulation contenant 3,5% m/m de chitosane natif et celle contenant 2,5 % m/m de chitosane phosphorylé ont montré un bon compromis entre une bonne injectabilité de la pâte, un temps de prise réduit (temps de prise initial réduit de trois à sept fois, respectivement) et une résistance à la compression et une ductilité améliorées par rapport à celles du ciment minéral de référence (sans chitosane), suffisantes pour envisager des applications en site non porteur. L'évolution in vitro des ciments élaborés dans une solution simulant un fluide biologique (SBF) a révélé une capacité de formation d'apatite plus importante à la surface du ciment composite contenant du chitosane natif grâce à la plus petite taille des cristallites des phases formées (aragonite et calcite) leur conférant ainsi une plus grande réactivité. La formation d'apatite à la surface du ciment incluant le chitosane phosphorylé est retardée en lien avec la dissolution ralentie de la calcite probablement moins dopée en magnésium dans ce cas. Les efforts futurs viseront à évaluer les propriétés biologiques des ciments composites développés in vitro en présence de cellules puis in vivo
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In the field of bone repair, there is increasing interest in injectable, self-hardening materials that can be implanted through minimally invasive surgery. Calcium carbonate cements have been proposed for applications as bioactive and more resorbable bone substitutes compared to the well-known calcium phosphate cements. Furthermore, the combination of polysaccharides with calcium phosphate cements has been developed as a promising strategy to adapt their physicochemical, mechanical, biological and handling properties. In this context, we have developed and characterized composite cements based on calcium carbonates and native or chemically modified chitosan to improve and control the setting time, injectability and cohesion of the paste, as well as the composition and mechanical properties of the hardened cement. Optimizations were carried out to meet as much as possible the clinical requirements in terms of resorption and processing of the material.
Magnesium-stabilized amorphous calcium carbonate and vaterite powders were synthesized by the double decomposition method and mixed with a liquid phase based on water or a solution containing different amounts of either acid-soluble native chitosan or water-soluble phosphorylated chitosan synthesized by the CH3SO3H/P2O5 method. The composition, microstructure, setting mechanism and time, injectability and mechanical properties of the composite cements were characterized using complementary techniques (XRD, FTIR spectroscopy, SEM, setting time, injectability, compressive strength and porosity measurements). The obtained results showed that the cements associated with native chitosan are mainly composed of aragonite, while those associated with phosphorylated chitosan are mainly composed of vaterite; in both cases some magnesian calcite was also formed. The setting reaction mechanism is kinetically modified by the presence of native chitosan slowing down the dissolution of vaterite and the formation of aragonite with a dose-dependent effect. In the case of cement containing phosphorylated chitosan, the vaterite is totally stabilized, thus totally inhibiting its dissolution and the formation of aragonite. The formulation containing 3.5% w/w of native chitosan and the one containing 2.5% w/w of phosphorylated chitosan showed a good compromise between good injectability of the paste and reduced setting time (three- and seven-fold reduction of the initial setting time, respectively). The hardened composite cements exhibited improved compressive strength and ductility compared to those of the reference mineral cement (without chitosan), sufficient to consider applications in non-load-bearing sites. The in vitro evolution of the cements elaborated in a simulated body fluid (SBF) revealed a higher apatite forming ability on the composite cement surface with native chitosan owing to the lower crystallites size of the formed phases (aragonite and calcite) and their resulting enhanced reactivity. The apatite formation on the composite cement including phosphorylated chitosan was delayed in correlation with the lower dissolution rate of calcite probably due to its lower magnesium-doping in this case. Future efforts will aim to evaluating the biological properties of these composite cements in vitro in the presence of cells and then in vivo.
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