Les céramiques, présentant une combinaison unique de biocompatibilité, de légèreté, et de résistance à l'usure, sont d'excellents candidats pour les applications orthopédiques, et notamment les prothèses de hanche. Néanmoins, du fait de leur fragilité intrinsèque, ces biocéramiques sont particulièrement sensibles à la microfissuration suite à des chocs mécaniques répétés. Le phénomène de décoaptation, définissant la séparation de la tête et de la cupule, a été mis en évidence in vivo, et le choc mécanique en résultant peut donc fortement augmenter les risques de rupture des éléments consitutifs de la prothèse. Des essais réalisés à l'aide d'une machine de chocs originale ont permis de confirmer la formation de bandes d'usure au niveau de la tête et de la cupule, ce qui a vraisemblablement entraîné les ruptures des cupules, qu'elles soient en alumine ou en zircone. De plus, ces résultats ont conduit à émettre l'hypothèse de l'existence de rebonds de la tête dans la cupule, générant donc de multiples impacts secondaires. La dispersion des résultats ne permet pas de comparer avec certitude les durées de vie respectives des deux biocéramiques, néanmoins, des mécanismes d'usure et de rupture ont pu été proposés. En parallèle, un modèle a été développé, combinant simulations par éléments finis et simulation de croissance de défauts, afin de calculer des probabilités de rupture et de comparer les durées de vie théoriques obtenues avec les résultats expérimentaux. Le but est d'obtenir un modèle fiable afin d'étudier l'influence d'autres paramètres sur la durée de vie de la prothèse, comme par exemple l'orientation des cupules. Bien que d'autres aspects restent à développer, en particulier la prise en compte de l'érosion, ces simulations ont donné des durées de vie conformes à celles obtenues expérimentalement, ce qui a permis de mettre en évidence le rˆole prépondérant de l'orientation de la cupule. Cette étude originale, étant donné que peu de recherches avaient été menées à ce sujet auparavant, doit être complétée par un plus grand nombre d'essais, afin de confirmer les tendances observées et les hypothèses émises.

Les changements sociétaux tels que la personnalisation de la médecine, ainsi que la volonté de mieux comprendre la biologie de l’os modifie notre approche de fabrication des biomatériaux. Ces derniers se doivent ainsi d’être sur-mesure, c’est-à-dire capables de répondre à une problématique particulière. Ceci implique plus précisément dans le cas qui nous intéresse, à savoir l’os, la maîtrise de leur architecture et de leur comportement en milieu biologique (e.g., biodégradabilité).Malgré leurs atouts incontestables pour ce domaine, les biocéramiques en hydroxyapatite (HA) restent cantonnées à des usages modestes (e.g., comblement de petits défauts) ; en cause, des propriétés de biodégradation, d’ostéoconduction ou encore d’ostéoinduction souvent inadaptées aux problématiques contemporaines. Pour pallier ces limitations, nous avons entrepris deux voies de modulation des propriétés biologiques de l’HA, une voie « chimique », basée sur l’incorporation d’ions carbonate dans la structure apatitique, et une voie « procédé », reposant sur le potentiel de la fabrication additive.Des poudres d’hydroxyapatites phosphocalciques carbonatées (CHA) ont été préparées. Les ions carbonate pouvant occuper les sites hydroxyle et phosphate de l’HA, une méthode de quantification sélective du taux de substitution sur chacun de ces sites a été mise au point. Cette méthode spectroscopique novatrice ouvre de nombreuses opportunités d’études appliquées et fondamentales des CHA, abordées dans ce manuscrit, et constitue également un outil qui pourrait se révéler précieux dans l’optique de mise sur le marché de dispositifs médicaux en CHA (e.g., norme ISO).Basé sur une technologie de fabrication additive, un procédé de fabrication de biocéramiques d’architecture complexe, reproductible, flexible, fiable, de haute précision ( 5 µm) et peu coûteux, a été développé et optimisé. Cet outil de fabrication a été mis en œuvre pour répondre à des questions biologiques à finalité fondamentale et thérapeutique. / The current approach to produce biomaterials tends to evolve due to societal change such as the development of personalized medicine or the eagerness to better understand bone biology. Hence, biomaterials, which specifications depends of their intended applications, have to be custom made. For bone tissue engineering, this implies to control the scaffold architecture and behaviour in a biological environment (e.g., biodegradability).Despite their indisputable qualities, the use of hydroxyapatite (HA) bioceramics tend to be limited to basic applications (e.g. filling small defects) because of biodegradation, osteoconduction, or osteoinduction properties that do not match the actual needs. To exceed these limitations, we explored two modifications paths to tune HA biologic properties: a “chemical” approach based on incorporation of carbonate ions into apatitic structure, and a “process” approach, built around additive manufacturing singular potential.Carbonated phosphocalcic hydroxyapatites (CHA) powders were prepared. As carbonate ions may occupy HA hydroxyl and phosphate sites, a selective method to quantify their ratio in each site by IR spectroscopy has been developed. This innovative spectroscopic method opens numerous opportunities for applied and fundamental studies of CHA, but could also be considered as a precious standard for a future release of CHA medical devices (e.g. ISO norm).A cheap, flexible, robust and reliable manufacturing process based on an additive manufacturing technology has been developed and optimized, leading to the production of bioceramics with complex architectural features (accuracy  5 µm).This manufacturing process has been implemented in biological studies with fundamental and therapeutic purposes.

Cette thèse transdisciplinaire réalisée en collaboration avec le laboratoire SPCTS (Sciences des Procédés Céramiques et Traitement de Surface) et l’EA 3842 (Homéostasie cellulaire et pathologies) de l’université de Limoges est un projet de recherche à l’interface entre la biologie et la chimie et a été consacrée à l’étude de l’influence des propriétés physico-chimiques de biocéramiques de phosphate de calcium sur leur comportement biologique in vitro.L’exploration des processus d’interaction entre matériaux et cellules reste une problématique scientifique de premier plan tant d’un point de vue fondamental qu’appliqué pour la mise au point de biomatériaux performants. L’objectif final est d’optimiser l’efficacité thérapeutique des céramiques phosphocalciques comme matériaux de substitution pour la régénération osseuse. La première partie de la thèse est une revue bibliographique générale présentant la problématique actuelle abordée en lien avec les besoins cliniques et les limitations des études actuelles. Les connaissances sur la biologie du tissu osseux sain ainsi que les aspects de régulation du processus de remodelage osseux ont également été abordés dans ce chapitre. Ce chapitre se termine par une synthèse bibliographique sur les biomatériaux et la régénération osseuse. Le chapitre 2 est relatif à la synthèse puis à la caractérisation physico-chimique des matériaux céramiques. Des céramiques de trois compositions chimiques : HA (hydroxyapatite : Ca10(PO4)6(OH)2 , SiHA (hydroxyapatite silicatée : Ca10(PO4)5,6(SiO4)0,42(OH)1,6 et CHA (hydroxyapatite carbonatée : Ca9,5(PO4)5,5(CO3)0,48(OH)1,08(CO3)0,23 , chacune avec deux microstructures différentes : dense ou poreuse, ont été élaborées et rigoureusement caractérisées (porosité, topographie de surface, mouillabilité, potentiel zêta, taille des grains, distribution et taille des pores, surface spécifique). Le chapitre 3 décrit l’approche expérimentale employée pour l’évaluation biologique des interactions matériaux/cellules explorées dans ce travail. Les analyses biologiques ont été réalisées avec deux lignées cellulaires différentes. La lignée cellulaire pré-ostéoblastique MC3T3-E1 et la lignée cellulaire de monocytes/macrophages, précurseurs des ostéoclastes RAW 264.7, (très importantes pour les aspects osseux, mais moins souvent explorées que les lignées ostéoblastiques dans la littérature). Enfin, le chapitre 4 reporte et commente les résultats biologiques obtenus dans ce travail. Tous les biomatériaux évalués dans cette étude sont biocompatibles, néanmoins, le biomatériau poreux CHA s’est avéré le plus prometteur des six variantes de biomatériaux testés. / This transdisciplinary thesis, carried out in collaboration with the SPCTS laboratory (sciences of ceramic processes and surface treatment) and EA 3842 (Cellular homoeostasis and pathologies) of the University of Limoges, is a research project at the interface between biology and chemistry and was devoted to the study of the influence of the physico-chemical properties of calcium phosphate bioceramics on their biological behavior in vitro.The exploration of the processes of interaction between materials and cells remains a major scientific issue, both from a fundamental and applied point of view for the development of highperformance biomaterials. The ultimate objective is to optimize the therapeutic efficiency of phosphocalcic ceramics as substitute materials for bone regeneration.The first part of the thesis is a general bibliographic review presenting the current issues tackled with the clinical needs and limitations of current studies. Knowledge of the biology of healthy bone tissue as well as the regulatory aspects of the bone remodeling process was also discussed in this chapter. It includes also a bibliographic overview of biomaterials and bone regeneration.Chapter 2 relates to the synthesis and the physico-chemical characterization of ceramic materials. HA (hydroxyapatite: Ca10 (PO4) 6 (OH) 2, SiHA (silicated hydroxyapatite: Ca10 (PO4) 5.6 (SiO4) 0.42 (OH) 1.6 and CHA (carbonated hydroxyapatite: Ca9.5 (PO4) 5.5 (CO3) 0.48 (OH) 1.08 (CO3) 0.23, ceramics each with two different microstructures : dense or porous, have been elaborated and thoroughly characterized (porosity, surface topography, wettability, zeta potential, grain size, pore size and distribution, specific surface area). Chapter 3 describes the experimental approach used for the biological evaluation of the interactions between materials and cells. Biological analyzes were performed with two different cell lines. The pre-osteoblastic MC3T3-E1 cell line and the RAW 264.7cell line of monocytes / macrophages, precursors of the steoclasts, (very important for the bone aspects, but less often explored than the osteoblastic lines in the literature). Finally, Chapter 4 reports and comments on the biological results obtained in this work. All biomaterials evaluated are biocompatible, nevertheless, the porous CHA biomaterial was the most promising of the six variants of biomaterials tested.