Revêtements bioactifs radioopaques par projection plasma pour une technologie d'implants // Bioactive layers for implant surface solutions

La demande croissante d'interventions en chirurgie orthopédique et reconstructive est une conséquence des traumatismes osseux causés par l'augmentation des accidents de la route, des maladies dégénératives et des infections par des agents pathogènes. L'apport de matériaux exogènes sous la forme de greffes, notamment d'autogreffe trabéculaire, constitue une méthode référence pour la réhabilitation de défauts osseux en termes de propriétés biologiques. Cependant, compte-tenu de nombreuses limitations importantes,le recours aux biomatériaux synthétiques constitue une alternative de choix. Au fil des années, une centaine de matériaux permettant de remplacer et de réparer les tissus osseux porteurs ont été étudiés. Dans un premier temps, des substituts osseux inertes (alumine, zircone, alliages de métaux) étaient utilisés, avec de forts taux d'acceptation par l'organisme. Néanmoins, ces matériaux restent « bioinertes » (aucune interaction avec les tissus vivants) contrairement aux matériaux « bioactifs » comme les bioverres ou les céramiques phosphocalciques dont celles à base d'hydroxyapatite (HA), présentant généralement une excellente biocompatibilité et ostéoconducteurs (ils peuvent être colonisés par les cellules hôtes sans que leur comportement ne soit modulé négativement). Ainsi, une grande partie de la recherche repose aujourd'hui sur l'amélioration de la bioactivité des implants métalliques grâce au dépôt de céramique sur le métal, combinant ainsi d'excellentes propriétés mécaniques et une bioactivité remarquable. Les études se sont en outre élargies vers des substrats polymères, comme le Poly-Ether-Ether-Ketone (PEEK), un thermoplastique biocompatible stable chimiquement et résistant mécaniquement. Ces substrats, obtenus souvent par impression 3D, sont particulièrement intéressants dans des zones anatomiques à géométries complexes (ex : mandibule). Parmi les techniques de dépôt, la projection thermique, en particulier l'Atmospheric Plasma Spray (APS), s'est avérée comme l'un des procédés les plus utilisés pour revêtir des prothèses métalliques. La technique repose sur la fusion de particules dans un plasma à haute température et leur projection à la surface d'un substrat plus froid, formant des lamelles. Cependant, même si les films de verre bioactif ou d'hydroxyapatite projetés par plasma présentent une bioactivité remarquable, certaines caractéristiques indésirables liées à l'adhésion, à la porosité, aux propriétés mécaniques, ou à une éventuelle réduction de bioactivité par les dopants, restent présentes. De plus, en raison de la faible radiopacité de la céramique à l'exposition aux rayons X, l'imagerie médicale devient plus difficile sur les implants revêtus par rapport aux implants non revêtus, en raison du contraste insuffisant pour la détection. Dans une étude précédente, G. Clavijo Mejia et al. ont amélioré la radiopacité du revêtement céramique en ajoutant différentes quantités d'oxyde de bismuth (Bi2O3). Ce projet de thèse propose de combiner le dépôt de verre bioactif dopé au Bi2O3 ou d'HA, par APS, sur des substrats métalliques et polymères. Une Analyse de Cycle de Vie et une estimation de l'impact carbone sur le logiciel SimaPro© complètera l'étude afin de proposer une « solution médicale écoconçue ». Cette étude rentre dans un contexte de partenariat international entre l'Institut de Recherche sur la Céramique (IRCER), Funglass en Slovaquie et l'Institut de Technologie d'Iligan de Mindanao State University (MSU-IIT) et ses bureaux satellites (Manille, Naawan) aux Philippines.
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The growing demand for orthopedic and reconstructive surgery is a result of bone injuries caused by an increase in traffic accidents, degenerative diseases, and pathogen-associated infections. The use of exogenous materials from grafts, particularly trabecular autografts, is the gold standard for repairing bone defects in terms of biological properties. However, due to significant limitations, the use of synthetic biomaterials is a preferred alternative. Over the years, approximately one hundred materials capable of replacing and repairing load-bearing bone tissue have been studied. Initially, inert bone substitutes (alumina, zirconia, metal alloys) were used, with high rates of acceptance by the body. Nevertheless, these materials remain “bioinert” (no interaction with living tissues), unlike “bioactive” materials such as bioglasses or calcium-phosphate ceramics—including hydroxyapatite-based ceramics (HA)—which exhibit excellent biocompatibility and are osteoconductive (they can be colonized by host cells without negative modulation of their behavior). Consequently, much of today's research focuses on enhancing the bioactivity of metal implants by depositing ceramic onto the metal, thereby combining excellent mechanical properties with remarkable bioactivity. Studies have also expanded to include polymer substrates, such as Poly-Ether-Ether-Ketone (PEEK), a biocompatible thermoplastic that is chemically stable and mechanically strong. These substrates, often produced via 3D printing, are particularly useful in anatomical areas with complex geometries (e.g., mandible). Among deposition techniques, thermal spraying, particularly Atmospheric Plasma Spray (APS), has proven to be one of the most widely used processes for coating metal prostheses. The technique relies on melting particles in a high-temperature plasma and spraying them onto the surface of a cooler substrate, forming layers in form of ‘splats'. However, even though plasma-sprayed bioactive glass or hydroxyapatite films exhibit remarkable bioactivity, certain undesirable characteristics related to adhesion, porosity, mechanical properties, or a potential reduction in bioactivity due to dopants, remain present. Furthermore, due to the low radiopacity of the ceramic under X-ray exposure, medical imaging becomes more difficult for coated implants compared to uncoated implants, due to insufficient contrast
In a previous study, G. Clavijo Mejia et al. improved the radiopacity of the ceramic coating by adding varying amounts of bismuth oxide (Bi₂O₃). This thesis project proposes to combine the deposition of bioactive glass doped with Bi₂O₃ or HA, via APS, onto metal and polymer substrates. A Life Cycle Assessment and an estimation of the carbon footprint using SimaPro© software will complete the study in order to propose an “eco-designed medical solution.” This study is part of an international partnership between the Institute for Ceramic Research (IRCER), Funglass in Slovakia, and the Iligan Institute of Technology at Mindanao State University (MSU-IIT) and its satellite offices (Manila, Naawan) in the Philippines.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Financement d'une collectivité locale ou territoriale

Université de Limoges

653 Sciences et Ingénierie

La personne recrutée aura une formation en sciences des matériaux, idéalement fortement sensibilisée à la thématique des biomatériaux pour la santé. Elle devra présenter des compétences et des connaissances fortes en sciences des matériaux dans le domaine des revêtements de leurs caractérisations. Un niveau d'anglais suffisant (minimum B2) et des compétences permettant le travail dans un contexte international et multidsiciplinaire sont demandées.
The successful candidate will have a background in materials science and, ideally, a high interest in biomaterials for healthcare. They must possess strong skills and knowledge in materials science, particularly in the field of coatings and their characterization. A sufficient level of English (minimum B2) and the ability to work in an international and multidisciplinary environment are required.