Development of Radio-opaque Bioglass/Hydroxyapatite coatings deposited by HVOF and SPS thermal spray for biomedical applications - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2019

Development of Radio-opaque Bioglass/Hydroxyapatite coatings deposited by HVOF and SPS thermal spray for biomedical applications

Développement de Revêtements Radiopaques Biohydroxyapatite / Bioglass Déposés par Projection Thermique pour des Applications Biomédicales

(1)
1

Abstract

Hydroxyapatite (HAp) and bioactive glass (BG45S5) are widely employed as precursors of thermally sprayed coatings to enhance the biocompatibility of biomedical implants. This, due to the similar structure of HAp with the bone tissue and the high reactivity of BG with biological media allowing the rapid bone tissue ingrowth on its surface. The combined deposition of both materials leads to build-up highly bioactive coatings with proper stability in comparison with single coatings. Furthermore, the HAp bioactivity and the BG45S5 radiopacity can be improved by obtaining the first from natural sources, as bovine-derived HAp (BHAp), and the second through the addition of radio-opacifiers as Bi2O3 to the BG structure. Consequently, coatings with augmented both, biocompatibility and x-rays opacity that allow improving the bioactivity and facilitate the use of non-invasive diagnostic methods, can be achieved. This research presents the development of biocompatible and opacified thick coatings deposited by High-Velocity Oxygen Fuel (HVOF) and Atmospheric Plasma Spray (APS) techniques. The chemical composition, structure, and microstructure of radiopaque BHAp/BG45S5+Bi2O3 coatings were studied, as well as the properties of raw materials were also analyzed. Afterward, the bioactivity of several coatings’ architecture, i.e., monolayers, graded, and multilayers, were assessed. The experimental results show that BHAp feedstock powder is mainly carbonated B-type apatite with a high purity HAp phase. The lab-made BG45S5 powders exhibit the chemical composition and physical properties with a substantial similarity compared to commercial BG45S5. The weight percent of 1 up to 20 of Bi2O3 was added to the bioactive glass to modify its radiopacity. Radiographic images of BG45S5+Bi2O3 show that 10 wt.% of the opacified material allows increasing the opacity of the BG mixture homogeneously by 3.6 times with no considerable effects on its structural and thermal properties. Regarding the thermally sprayed coatings, CO32- and the Mg contents on BHAp lead to the formation of dolomite in the crystalline phase of the surface of single HVOF BHAp coating. Single BHAp APS coating does not exhibit any secondary phases in its surface crystalline content. A typical apatite layer is evidenced after 3 days of immersion in simulated body fluid (SBF) in the surface of both coatings and single BHAp HVOF coating show delamination after 5 days of immersion. Thus, APS was chosen to spray and analyze single BG45S5, BG45S5+10 wt.% Bi2O3 and gradual BHAp/BG45S5+10 wt.% Bi2O3 coatings. Single BG45S5+10 wt.% Bi2O3 coating shows similar microstructure and amorphous structure in comparison with the plasma-sprayed single coating using commercial BG45S5 feedstock powder without Bi2O3. However, delamination and a reduced rate of apatite layer formation are observed. Graded BHAp/BG45S5+10 wt. % Bi2O3 coating shows a similar rate of apatite layer growth compared to single BG45S5+10 wt. % Bi2O3 coating. Nevertheless, the apatite formation after 10 days of immersion in SBF and no delamination are observed on the surface of the coating due to the graded deposition of BG45S5+10 wt. % Bi2O3 combined with BHAp.
L'hydroxyapatite (HAp) et le verre bioactif (BG) 45S5 sont largement utilisés comme précurseurs des revêtements fabriqués par projection thermique pour améliorer la biocompatibilité des implants biomédicaux. Ceci, en raison de la structure similaire de l'HAp avec le tissu osseux et la haute réactivité de ce BG en milieu biologique, ce qui permet la croissance rapide du tissu osseux à sa surface. La projection combinée des deux matériaux permet d’obtenirdes revêtements hautement bioactifs et stables par rapport aux revêtements individuels. De plus, la bioactivité de l'HAp et la radio-opacité de BG45S5 peuvent être améliorées en utilisant comme matières premières des sources naturelles, telles que l'HAp issue d'os de bovins (BHAp) et en ajoutant des radiopacifiants tels que l’oxyde de bismuth (Bi2O3) à la structure du BG. Par conséquent, des revêtements combinés avec une bioactivité et une opacité accrues vis-à-vis des rayons X peuvent être obtenus pour améliorer le diagnostic non invasif par radiographie des implants biomédicaux revêtus.Cette recherche présente le développement de couches épaisses biocompatibles et opacifiées réalisées par projection thermique, flamme haute vitesse (High-Velocity Oxygen Fuel, HVOF) et plasma (Atmospheric Plasma Spray, APS). La composition chimique, la structure, la microstructure et la bioactivité des couches radio-opaques de BHAp/BG45S5+Bi2O3 obtenues sont étudiées ainsi que les propriétés des matériaux de départ. ainsi que la projection gradient du revêtement combiné. En particulier, la bioactivité de différentes architectures de revêtements (monocouches, couches à gradient de matériaux et multicouches) a été évaluée. Les résultats expérimentaux montrent que la poudre de départ de BHAp est principalement constituée d’apatite carbonée de type B avec une pureté élevée de la phase HAp. Les poudres de bioverre BG45S5 fabriquées en laboratoire présentent une composition chimique et des propriétés physiques très similaires à celles du BG45S5 commercial.Un pourcentage en poids de 1 à 20 % d’oxyde de bismuth Bi2O3 a été ajouté au verre bioactif pour modifier sa radio-opacité. Les images radiographiques des composés BG45S5 + x% Bi2O3 montrent que le bioverre avec 10% en poids d’oxyde de bismuth permet d’augmenter de 3,6 fois l’opacité du bioverre de manière homogène sans affecter de manière notable ses propriétés structurales et thermiques. En ce qui concerne les revêtements réalisés par projection thermique, la teneur en CO32- et en Mg dans la poudre de BHAp conduit à la formation de dolomite dans la phase cristalline de la surface du revêtement monocouche de BHAp réalisé par HVOF alors que celui réalisé par APS ne montre aucune phase secondaire cristalline à sa surface. Une couche d'apatite typique est mise en évidence à la surface des deux revêtements après 3 jours d'immersion dans un fluide corporel simulé (SBF), cependantle revêtement monocouche de BHAp réalisé par HVOF montre une délamination après 5 jours d'immersion. Par conséquent, la projection plasma APS a été choisie pour élaborer les revêtements monocouches de BHAp, BG45S5, BG45S5+10wt.% Bi2O3 et le revêtement à gradient de composition de BHAp/BG45S5+10wt. % Bi2O3. Le revêtement monocouche de BG45S5 + 10wt.% Bi2O3 a une microstructure et une structure amorphe similaires à celles du revêtement monocouche de BG45S5 sans Bi2O3 réalisé par projection plasma de la poudre commerciale . Cependant, une délamination et une vitesse réduite de formation de la couche d'apatite ont été observées. Le revêtement à gradient de composition de BHAp/BG45S5+10 wt. % Bi2O3 montre un taux de croissance de la couche d'apatite similaire à celui du revêtement monocouche de BG45S5+10wt. % Bi2O3. La formation d'apatite observée après 10 jours d'immersion dans un fluide corporel simulé ne présente pas de délaminage à la surface du revêtement grâce au gradient de composition du BG45S5 10 wt. % Bi2O3 combiné au BHAp.
Fichier principal
Vignette du fichier
2019LIMO0099.pdf (15.85 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)
Loading...

Dates and versions

tel-02477546 , version 1 (13-02-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02477546 , version 1

Cite

Germán Andrés Clavijo Mejía. Développement de Revêtements Radiopaques Biohydroxyapatite / Bioglass Déposés par Projection Thermique pour des Applications Biomédicales. Matériaux. Université de Limoges; El Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados del Insituto Politécnico National. Cinvestav (Méxique), 2019. Français. ⟨NNT : 2019LIMO0099⟩. ⟨tel-02477546⟩
225 View
57 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More