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Élaboration et caractérisation de biomatériaux osseux innovants à base d'apatites phospho-calciques dopées

Vandecandelaère, Nicolas (2012) Élaboration et caractérisation de biomatériaux osseux innovants à base d'apatites phospho-calciques dopées. (Elaboration and characterization of innovative osseous biomaterials based on doped calcium phosphate apatites.)

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Prix Léopold Escande 2012 (en savoir plus)

Résumé

Les infections nosocomiales post-opératoires en sites osseux posent un problème majeur de santé publique. L'utilisation de biocéramiques bioactives et résorbables qui présenteraient des propriétés antibactériennes apparaît comme une des solutions les plus prometteuses pour lutter contre l'invasion de micro-organismes au niveau du site opératoire. Les apatites nanocristallines biomimétiques se révèlent être des candidats de choix pour ces applications en raison de leur similitude avec le minéral osseux et de leur forte réactivité de surface. Cependant, elles ne possèdent pas de propriétés antibactériennes intrinsèques, ce qui peut potentiellement être amené par un dopage ionique approprié. Dans ce contexte, ce travail traite de la synthèse et de la caractérisation physico-chimique d'apatites biomimétiques enrichies avec des cations zinc (Zn2+), cuivre (Cu2+) ou argent (Ag+) ou avec des anions oxygénés de type peroxydes qui présenteraient ces facultés antimicrobiennes ; puis sur l'évaluation préliminaire de leurs propriétés (micro)biologiques. Dans un premier temps, l'étude de systèmes apatitiques non dopés a indiqué qu'à l'instar du minéral osseux les apatites nanocristallines présentaient des cristaux de dimensions nanométriques dont la composition chimique s'éloignait de la stoechiométrie et exposant des environnements ioniques non-apatitiques hydratés en surface des nanocristaux. L'influence des paramètres de synthèse a été évaluée et révèle que le temps de maturation, la température, le pH et la nature des sels de phosphate impactent significativement les caractéristiques physico-chimiques de ces composés. Nous montrons également que les conditions de post-traitement (ré-immersion, traitement thermique, mise en forme) peuvent aussi modifier significativement les caractéristiques finales des biocéramiques. Dans un second temps, ce travail a révélé que l'enrichissement d'apatites nanocristallines avec des ions Zn2+, Cu2+, Ag+ ou des espèces oxygénées était possible – avec des taux de dopage limites qui ont été évalués – mais générait des modifications physico-chimiques notables en particulier en termes d'état de cristallinité et de teneur en environnements chimiques non-apatitiques. Le zinc et le cuivre engendrent des effets similaires et semblent agir en tant qu'inhibiteur de croissance cristalline. L'argent, bien que monovalent, ne modifie pas significativement les processus de formation et de croissance des nanocristaux d'apatites. En revanche, la présence de peroxyde d'hydrogène dans le milieu réactionnel conduit à la formation d'apatite dont l'état de cristallinité est augmenté. Le choix de paramètres de synthèse adéquats, influençant notablement les mécanismes d'incorporation des ions, s'est avéré déterminant pour l'obtention d'apatites nanocristallines monophasées et dopées. Des tests biologiques préliminaires ont été réalisés pour évaluer la cytotoxicité de ces composés et le comportement de cellules ostéogéniques (de types ostéoblastes et ostéoclastes). L'évaluation d'éventuelles propriétés antibactériennes a également fait l'objet de ce travail, dans le cadre d'une collaboration internationale. Parmi les formulations présentant des propriétés antibactériennes mesurées, les apatites biomimétiques enrichies en argent apparaissent au vu de ce travail comme les candidats les plus prometteurs pour conférer l'effet antibactérien nécessaire aux applications visées. ABSTRACT : Hospital acquired infections in osseous sites are a major issue of public health. The use of bioactive and resorbable bioceramics that present antibacterial properties appears as one of the most promising solution against microorganisms invasion of the surgical site. Biomimetic nanocrystalline apatites belong to the choice candidates for those applications thanks to their similarities with the bone mineral and their high surface reactivity. Nevertheless, they don't possess intrinsic antibacterial capacity, property that can be reached by a suitable ionic enrichment. In this context, this work deals with the synthesis and the physico-chemical characterization of such biomimetic nanocrystalline apatites doped with zinc (Zn2+), copper (Cu2+) or silver (Ag+) cations or with oxygenated anions like peroxides that would present antibacterial activity; then their (micro-)biological properties have also been studied. As a first part, study of apatitic non-doped systems shows that, as well as bone mineral, nanocrystalline apatites exhibit nano-sized crystals which chemical composition depart from stoichiometry and possess hydrated non-apatitic environments on their surface. The influence of synthesis parameters has been studied and reveals that maturation time in solution, temperature, pH or the nature of starting phosphate salts impact significantly the physico-chemical characteristics of those compounds. We also point out that post-treatment conditions (re-immersion, thermal treatment, forming) can significantly modify final characteristics of those bioceramics. As a second part, this work reveals that nanocrystalline apatites enrichment with Zn2+, Cu2+, Ag+ or oxygenated species seem to be possible – with maximal doping rates that were evaluated – but generate significant physico-chemical modifications, especially in terms of crystallinity state or non-apatitic chemical environments content. Zinc and copper act on a similar way on apatite compound and exhibit a crystal growth inhibitory role. Silver, even with a single positive charge, don't modify significantly the formation and the growth mechanisms of apatites nanocrystals. On the opposite, hydrogen peroxide presence in the synthesis media generates the formation of apatites which crystallinity state is improved. All of those results suggest that synthesis parameters are determining to obtain doped nanocrystalline apatites and that they influence notably the incorporation mechanisms of ions. Finally, preliminary biological tests have been realized in order to evaluate the cytotoxicity and the behavior of osteogenic cells (osteoblast and osteoclast type) in contact with those compounds. The evaluation of potential antibacterial properties is also discussed in this work as part of an international collaboration. Among formulations that exhibit measured antibacterial activity, silver doped biomimetic apatites appear as the most promising candidates to confer antibacterialness necessary for the envisaged applications.

Département ou laboratoire:Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux - CIRIMAT (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Rey, Christian et Drouet, Christophe
Mots-clés:Phosphate de calcium - Biomimétique - Apatite - Antibactérien - Os. KEYWORDS : Calcium Phosphate - Biomimetic - Apatite - Anibacterial - Bone
Sujets:Génie des matériaux > Céramiques
Génie des matériaux > Biomatériaux
Déposé le:02 Juin 2015

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