Ce travail porte sur la recherche et le développement d'un matériau de substitution osseuse permettant une implantation par chirurgie mini invasive, limitant les infections post-opératoires et dont la résorbabilité serait adaptée à la cinétique de régénération osseuse. Nous nous sommes intéressés à un ciment à base de carbonate et de phosphate de calcium (CaCO3 – CaP) dont la réaction de prise conduit à la formation d'une apatite nanocristalline analogue au minéral osseux. Dans une première partie la cinétique de prise et le produit de réaction ont été caractérisés par différentes techniques, notamment la diffraction des RX et les spectroscopies FTIR et RMN du solide. Un sel d'argent – Ag3PO4 ou AgNO3, choisis pour leurs propriétés antibactériennes – a été ensuite introduit dans la formulation. Son effet sur la cinétique de la réaction chimique de prise a été mis en évidence par traitement des spectres FTIR et RMN et un mécanisme réactionnel original impliquant les ions argent et nitrate dans la formation de l'apatite a été proposé. L'ajout d'un polysaccharide, la carboxyméthylcellulose (CMC), dans la phase solide du ciment a montré une très nette amélioration de l'injectabilité de la pâte, avec la disparition du phénomène de séparation des phases qui limite généralement l'injectabilité des ciments minéraux. La résistance à la compression et le module élastique des ciments composites ont été par ailleurs augmentés, parallèlement à une diminution de leur porosité. Différentes études in vitro en présence de cellules ou de bactéries ont enfin été réalisées et ont mis en évidence respectivement la cytocompatibilité des différentes compositions de ciments étudiées et le caractère antibactérien de ces matériaux à partir d'une certaine concentration en argent. L'implantation in vivo de compositions choisies a présenté des résultats très prometteurs quant à la résorbabilité d'un ciment composite CaCO3 - CaP/CMC/Ag et à la néoformation osseuse. / The present work concerns research and development of a material for bone substitution, enabling implantation through a mini-invasive surgery, limiting post-operative infections and whose resorbability is adapted to bone regeneration kinetics. This study focused on a calcium carbonate and phosphate based cement, whose setting reaction leads to the formation of a nanocrystalline apatite, similar to bone mineral. First, the setting kinetics and the reaction products were characterised using different techniques, especially X-ray diffraction and FTIR and solid-state NMR spectroscopies. A silver salt – Ag3PO4 or AgNO3, chosen for their antibacterial properties – was then introduced in the formulation. Its effect on the setting reaction kinetics was revealed by data processing of FTIR and NMR spectra and an original reaction mechanism which involves silver and nitrates in the formation of apatite was proposed. The addition of a polysaccharide, carboxymethylcellulose (CMC), in the solid phase of the cement showed a clear improvement of the injectability of the paste, preventing the occurrence of filter-pressing phenomenon, often limiting the injectability of mineral cements. The resistance to compressive strength and elastic modulus of the composite cement were also improved together with a decrease in their porosity. Different in vitro studies were carried out in the presence of cells or bacteria and demonstrated the cytocompatibility of different cement compositions and their antibacterial properties starting at a certain silver concentration, respectively. In vivo implantation of selected compositions showed promising results concerning resorbability of a composite CaCO3 - CaP/CMC/Ag cement and the associated bone neoformation.

L’objectif de cette étude est de vérifier si un ciment ostéoconducteur résorbable utilisé comme technique de fixation de greffons ostéochondraux permet d'obtenir une stabilité initiale supérieure à celle obtenue avec la technique de mosaicplastie originalement décrite. Il s’agit d’une étude biomécanique effectuée sur des paires de fémurs cadavériques bovins. Pour chaque paire de fémurs, des greffons ostéochondraux autologues ont été insérés et stabilisés au moyen d’un ciment biorésorbable (Kryptonite, DRG inc.) sur un fémur alors qu’au fémur controlatéral, les greffons ont été implantés par impaction selon la technique usuelle de mosaicplastie. Des greffons uniques ainsi que des greffons en configuration groupée ont été implantés et soumis à une évaluation biomécanique. Les charges axiales nécessaires pour enfoncer les greffons de 1, 2 et 3 mm ont été comparées en fonction de la technique de stabilisation utilisée, ciment ou impaction, pour chaque configuration de greffons. Les résultats démontrent que les greffons ostéochondraux cimentés uniques et groupés ont une stabilité initiale supérieure à celle de greffons non cimentés sur des spécimens cadavériques bovins. L’obtention d’une plus grande stabilité initiale par cimentation des greffons ostéochondraux pourrait permettre une mise en charge précoce post-mosaicplastie et mener à une réhabilitation plus rapide. / The objective of this project is to compare the primary stability of osteochondral autografts stabilized with a resorbable osteoconductive bone cement to that of bottomed press fit grafts inserted according to the original mosaicplasty technique. Biomechanical testing was conducted on pairs of cadaveric bovine femurs. For each femoral pair, osteochondral grafts were inserted and stabilized with an osteoconductive bone cement (Kryptonite, DRG inc.) on one bone whereas on the controlateral femur, grafts were inserted in a press fit fashion. Grafts were inserted in 2 different configurations, single grafts as well as groups of 3 adjacent grafts, and submitted to biomechanical testing. Axial loads needed to sink the grafts to 1, 2 and 3 millimeters below cartilage level were recorded and compared according to the fixation technique, cement or press-fit impaction, for each graft configuration. According to those results, cemented osteochondral autografts appear more stable than press fit grafts for both single and 3-in-a-row configurations. Using such a cementation technique could potentially prevent the initial loss of stability that has been shown to occur with osteochondral grafts in the post-operative period, allowing patients to perform early weight bearing and rehabilitation.

L'implantation de matériaux pour reconstruction osseuse par des techniques chirurgicales peu invasives nécessite des substituts osseux synthétiques, résorbables, injectables et radioopaques. C'est pourquoi le contrôle des propriétés de ces matériaux est primordial. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse à la formulation de deux ciments, l'un uniquement à base de carbonate de calcium, le second composé d'un mélange de carbonate de calcium et de phosphate de calcium en quantités égales. Le traitement des phases solides pulvérulentes de ces deux ciments par les procédés de broyage et de co-broyage a été étudié. Ces procédés permettent entre autres de diminuer la taille moyenne des particules. Un mélange intime et homogène entre les constituants de la phase solide est obtenu grâce au co-broyage et les propriétés des ciments sont très significativement améliorées. Le temps de prise est diminué et l'injectabilité de la pâte est fortement augmentée (facteur 100). Cette dernière propriété a pu être évaluée grâce à la mise au point d'un dispositif et d'un protocole de mesure adaptés à un analyseur de texture. Dans le but de visualiser par radiographie aux rayons X l'introduction du ciment injectable dans le site osseux à réparer, du strontium a été introduit en tant qu'agent de contraste radio-opacifiant. Deux voies d'ajout à la formulation du ciment ont été étudiées : la première sous forme de SrCO3 dans la phase solide, la seconde sous forme de SrCl2 dans la phase liquide. Les études réalisées montrent que le co-broyage de la phase solide contenant du SrCO3 est intéressant pour homogénéiser la dispersion de l'agent de contraste et ainsi optimiser la quantité de strontium à incorporer pour atteindre le niveau de radio-opacité requis par la norme en vigueur. De plus, il a été observé que l'ajout de SrCl2 dans la phase liquide rend la pâte plus visqueuse et diminue son injectabilité. Par ailleurs, l'étude de la dissolution de ces ciments à pH physiologique a révélé une libération lente et prolongée du strontium. Enfin, des tests cellulaires in-vitro ont été réalisés sur ces ciments ; ils mettent en évidence l'excellent comportement de cellules ostéoprogénitrices vis-à-vis de ces formulations de ciment ainsi que l'intérêt d'utiliser le sel de SrCO3 plutôt que de SrCl2. La dernière partie de ce travail concerne l'étude de la cristallisation de l'aragonite, variété polymorphe du carbonate de calcium, en présence d'ions phosphate, connus pour inhiber la cristallisation du CaCO3. Grâce à une modélisation à l'aide de la technique de croissance cristalline à composition constante permettant de se placer dans des conditions proches de celles de la prise du ciment uniquement à base de carbonate de calcium in-vivo, il a été montré que la présence d'ions phosphate, même en très faible quantité (concentration < 0,5 µM) diminue à la fois la vitesse de germination et la vitesse de croissance cristalline de l'aragonite. L'ensemble de ces travaux contribue à l'optimisation des propriétés de ces ciments biomédicaux et à mieux appréhender leur comportement que ce soit au moment de leur implantation in-vivo ou de leur évolution et suivi post-opératoires. D'un point de vue fondamental, ces travaux pluridisciplinaires menés dans des conditions modèles in-vitro mais également dans le cadre d'une expérimentation in-vivo ont mis en évidence l'intérêt de confronter ces deux approches pour identifier et comprendre les phénomènes et les réactions impliqués lors de la prise des ciments à base de carbonate de calcium in-vitro et in-vivo. / Implantation of bone substitute materials using minimally invasive surgical techniques requires specific properties for the material including resorbability, injectability and adequate radio-opacity. The control of such properties of the material is of prime importance to meet a surgeon's requirements. In this context, this study deals with two different mineral cements: the first one is only composed of calcium carbonate phases and the second one is a mixture of equal amount of calcium phosphate and calcium carbonate phases. An original methodology involving complementary analytical techniques was implemented to thoroughly investigate the grinding mechanism of separated or mixed reactive powders constituting the solid phase and its effects on cement reactivity and properties. We show that co-grinding the solid phase decreases the mean size of the particles and favours both a homogeneous mixing and good contact between the components, leading to a decrease in the setting time. We also set two original protocols designed to evaluate paste injectability and phase separation during paste extrusion. Co-grinding leads to synergistic positive effects on cement injectability and radio-opacity. It allows maintaining a low and constant load during the extrusion of paste, which composition remains constant. Moreover, the cement's mechanical properties can be enhanced by lowering the L/S ratio because of the lower plastic limit. To be able to follow in situ the injection of the bone cement using X-ray radiography, strontium has been introduced as a contrast agent in the cement composition. Two different routes have been investigated: SrCO3 has been added to the solid phase or SrCl2 has been dissolved in the liquid phase. We show that co-grinding process permits to homogenise strontium distribution in the cement allowing us to optimise the minimum amount of strontium to add into the cement paste to reach the radio-opacity required by ISO 9917-1 standard. Moreover, adding SrCl2 in the liquid phase makes the cement paste more viscous and diminishes its injectability. Release tests performed on Sr-loaded cements show a sustained release of strontium at 37°C and pH 7.4. Finally, in-vitro cell tests have shown the excellent behaviour of osteoprogenitor cells, especially on cements including SrCO3. The last part of this work deals with the study of the crystallization of aragonite CaCO3 in the presence of phosphate ions, naturally present in biological fluids, to better understand the setting ability of calcium carbonate cements in-vivo. Using the constant composition crystal growth technique, we show that the presence of phosphate ions, even in very low amount (concentration < 0.5 µM) diminishes both the nucleation and the crystal growth rates of aragonite. This work contributes to the optimization of the properties of calcium carbonate-based cements and a better understanding and control of their behaviours during implantation and their evolution in-vivo. From a fundamental point of view, this multidisciplinary work performed in model conditions in-vitro and completed by preliminary in-vivo experiments have underlined the interest in combining these two approaches to identify and understand the phenomena and the chemical reactions involved during the setting of biomedical cements.

L’objectif de cette étude est de vérifier si un ciment ostéoconducteur résorbable utilisé comme technique de fixation de greffons ostéochondraux permet d'obtenir une stabilité initiale supérieure à celle obtenue avec la technique de mosaicplastie originalement décrite. Il s’agit d’une étude biomécanique effectuée sur des paires de fémurs cadavériques bovins. Pour chaque paire de fémurs, des greffons ostéochondraux autologues ont été insérés et stabilisés au moyen d’un ciment biorésorbable (Kryptonite, DRG inc.) sur un fémur alors qu’au fémur controlatéral, les greffons ont été implantés par impaction selon la technique usuelle de mosaicplastie. Des greffons uniques ainsi que des greffons en configuration groupée ont été implantés et soumis à une évaluation biomécanique. Les charges axiales nécessaires pour enfoncer les greffons de 1, 2 et 3 mm ont été comparées en fonction de la technique de stabilisation utilisée, ciment ou impaction, pour chaque configuration de greffons. Les résultats démontrent que les greffons ostéochondraux cimentés uniques et groupés ont une stabilité initiale supérieure à celle de greffons non cimentés sur des spécimens cadavériques bovins. L’obtention d’une plus grande stabilité initiale par cimentation des greffons ostéochondraux pourrait permettre une mise en charge précoce post-mosaicplastie et mener à une réhabilitation plus rapide. / The objective of this project is to compare the primary stability of osteochondral autografts stabilized with a resorbable osteoconductive bone cement to that of bottomed press fit grafts inserted according to the original mosaicplasty technique. Biomechanical testing was conducted on pairs of cadaveric bovine femurs. For each femoral pair, osteochondral grafts were inserted and stabilized with an osteoconductive bone cement (Kryptonite, DRG inc.) on one bone whereas on the controlateral femur, grafts were inserted in a press fit fashion. Grafts were inserted in 2 different configurations, single grafts as well as groups of 3 adjacent grafts, and submitted to biomechanical testing. Axial loads needed to sink the grafts to 1, 2 and 3 millimeters below cartilage level were recorded and compared according to the fixation technique, cement or press-fit impaction, for each graft configuration. According to those results, cemented osteochondral autografts appear more stable than press fit grafts for both single and 3-in-a-row configurations. Using such a cementation technique could potentially prevent the initial loss of stability that has been shown to occur with osteochondral grafts in the post-operative period, allowing patients to perform early weight bearing and rehabilitation.

L'implantation de matériaux pour reconstruction osseuse par des techniques chirurgicales peu invasives nécessite des substituts osseux synthétiques, résorbables, injectables et radioopaques. C'est pourquoi le contrôle des propriétés de ces matériaux est primordial. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse à la formulation de deux ciments, l'un uniquement à base de carbonate de calcium, le second composé d'un mélange de carbonate de calcium et de phosphate de calcium en quantités égales. Le traitement des phases solides pulvérulentes de ces deux ciments par les procédés de broyage et de co-broyage a été étudié. Ces procédés permettent entre autres de diminuer la taille moyenne des particules. Un mélange intime et homogène entre les constituants de la phase solide est obtenu grâce au co-broyage et les propriétés des ciments sont très significativement améliorées. Le temps de prise est diminué et l'injectabilité de la pâte est fortement augmentée (facteur 100). Cette dernière propriété a pu être évaluée grâce à la mise au point d'un dispositif et d'un protocole de mesure adaptés à un analyseur de texture. Dans le but de visualiser par radiographie aux rayons X l'introduction du ciment injectable dans le site osseux à réparer, du strontium a été introduit en tant qu'agent de contraste radio-opacifiant. Deux voies d'ajout à la formulation du ciment ont été étudiées : la première sous forme de SrCO3 dans la phase solide, la seconde sous forme de SrCl2 dans la phase liquide. Les études réalisées montrent que le co-broyage de la phase solide contenant du SrCO3 est intéressant pour homogénéiser la dispersion de l'agent de contraste et ainsi optimiser la quantité de strontium à incorporer pour atteindre le niveau de radio-opacité requis par la norme en vigueur. De plus, il a été observé que l'ajout de SrCl2 dans la phase liquide rend la pâte plus visqueuse et diminue son injectabilité. Par ailleurs, l'étude de la dissolution de ces ciments à pH physiologique a révélé une libération lente et prolongée du strontium. Enfin, des tests cellulaires in-vitro ont été réalisés sur ces ciments ; ils mettent en évidence l'excellent comportement de cellules ostéoprogénitrices vis-à-vis de ces formulations de ciment ainsi que l'intérêt d'utiliser le sel de SrCO3 plutôt que de SrCl2. La dernière partie de ce travail concerne l'étude de la cristallisation de l'aragonite, variété polymorphe du carbonate de calcium, en présence d'ions phosphate, connus pour inhiber la cristallisation du CaCO3. Grâce à une modélisation à l'aide de la technique de croissance cristalline à composition constante permettant de se placer dans des conditions proches de celles de la prise du ciment uniquement à base de carbonate de calcium in-vivo, il a été montré que la présence d'ions phosphate, même en très faible quantité (concentration < 0,5 µM) diminue à la fois la vitesse de germination et la vitesse de croissance cristalline de l'aragonite. L'ensemble de ces travaux contribue à l'optimisation des propriétés de ces ciments biomédicaux et à mieux appréhender leur comportement que ce soit au moment de leur implantation in-vivo ou de leur évolution et suivi post-opératoires. D'un point de vue fondamental, ces travaux pluridisciplinaires menés dans des conditions modèles in-vitro mais également dans le cadre d'une expérimentation in-vivo ont mis en évidence l'intérêt de confronter ces deux approches pour identifier et comprendre les phénomènes et les réactions impliqués lors de la prise des ciments à base de carbonate de calcium in-vitro et in-vivo. / Implantation of bone substitute materials using minimally invasive surgical techniques requires specific properties for the material including resorbability, injectability and adequate radio-opacity. The control of such properties of the material is of prime importance to meet a surgeon's requirements. In this context, this study deals with two different mineral cements: the first one is only composed of calcium carbonate phases and the second one is a mixture of equal amount of calcium phosphate and calcium carbonate phases. An original methodology involving complementary analytical techniques was implemented to thoroughly investigate the grinding mechanism of separated or mixed reactive powders constituting the solid phase and its effects on cement reactivity and properties. We show that co-grinding the solid phase decreases the mean size of the particles and favours both a homogeneous mixing and good contact between the components, leading to a decrease in the setting time. We also set two original protocols designed to evaluate paste injectability and phase separation during paste extrusion. Co-grinding leads to synergistic positive effects on cement injectability and radio-opacity. It allows maintaining a low and constant load during the extrusion of paste, which composition remains constant. Moreover, the cement's mechanical properties can be enhanced by lowering the L/S ratio because of the lower plastic limit. To be able to follow in situ the injection of the bone cement using X-ray radiography, strontium has been introduced as a contrast agent in the cement composition. Two different routes have been investigated: SrCO3 has been added to the solid phase or SrCl2 has been dissolved in the liquid phase. We show that co-grinding process permits to homogenise strontium distribution in the cement allowing us to optimise the minimum amount of strontium to add into the cement paste to reach the radio-opacity required by ISO 9917-1 standard. Moreover, adding SrCl2 in the liquid phase makes the cement paste more viscous and diminishes its injectability. Release tests performed on Sr-loaded cements show a sustained release of strontium at 37°C and pH 7.4. Finally, in-vitro cell tests have shown the excellent behaviour of osteoprogenitor cells, especially on cements including SrCO3. The last part of this work deals with the study of the crystallization of aragonite CaCO3 in the presence of phosphate ions, naturally present in biological fluids, to better understand the setting ability of calcium carbonate cements in-vivo. Using the constant composition crystal growth technique, we show that the presence of phosphate ions, even in very low amount (concentration < 0.5 µM) diminishes both the nucleation and the crystal growth rates of aragonite. This work contributes to the optimization of the properties of calcium carbonate-based cements and a better understanding and control of their behaviours during implantation and their evolution in-vivo. From a fundamental point of view, this multidisciplinary work performed in model conditions in-vitro and completed by preliminary in-vivo experiments have underlined the interest in combining these two approaches to identify and understand the phenomena and the chemical reactions involved during the setting of biomedical cements.