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BIOMATERIAUX Chapitre 4 – Ciments

D. Bazin Laboratoire de Physique des Solides UMR 8502, Université Paris Sud, Bât 510 91405 Orsay Cedex, France.

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PLAN Chapitre 4 Les ciments phosphocalciques Chapitre 4A

L’adhésion cellule – biomatériaux

Chapitre 4B

Les ciments phosphatiques

Chapitre 4B.1 Aspect médical Chapitre 4B.2 Généralités sur les ciments phosphocalciques Chapitre 4B.3 Quelques travaux récents sur les ciments Chapitre 4B.4A un composite apatite – polymère Chapitre 4B.4B un composite apatite – polymère & transformation de phase Chapitre 4B.4C Ajout de Zn – Toxicité à forte teneur Chapitre 4B.4D Le rôle des carbonates dans la résorption de l’os Chapitre 4B.3e Ciments phosphatiques et ajout de nanoparticules d’argent Chapitre 4B.4 Méthodes d’élaboration classique Chapitre 4B.5 Nouvelles Méthodes d’élaboration - Essai de compaction à froid Chapitre 4B.5a Déroulement de l’étude Chapitre 4B.5b Synthèse et caractérisation de la poudre de départ Chapitre 4B.5c Analyse chimique Chapitre 4B.5d Diffraction des rayons X Chapitre 4B.5e Microscopie électronique à transmission Chapitre 4B.5f Spectroscopie Infra rouge Chapitre 4B.5g Analyse thermo-gravimétrique Chapitre 4B.5h B.E.T. Chapitre 4B.5i Compaction Chapitre 4B.5j Morphologie des pastilles obtenues Chapitre 4B.5k DRX et FTIR Chapitre 4B.5l Essais de céramisation à très basses températures

Chapitre 4C Quelques généralités sur le rayonnement synchrotron Chapitre 4D La spectroscopie d’absorption X (Xanes – Exafs)

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Chapitre 4B

Les ciments phosphatiques

Chapitre 4B.1 Aspect médical Le tassement des vertèbres est une maladie qui touche aujourd’hui un nombre important de personnes. Il apparaît surtout chez les personnes âgées, 80% des personnes de plus de 75 ans étant atteintes, et se traduit par l’usure et, éventuellement, la disparition totale du cartilage intervertébral.

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Fig 2B.1 : Vertebres et son disque

1. http://commons.wikimedia.org

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Ce phénomène est le résultat d’une arthrose, qui consiste en une dégradation du cartilage et une perte de ses propriétés mécaniques. Le cartilage intervertébral sain, est un tissu résistant et élastique il forme des disques intervertébraux qui séparent les vertèbres et jouent le rôle d’amortisseur. Il évite que les vertèbres ne compriment les racines nerveuses motrices et sensitives qui partent de la moelle épinière, à chaque étage vertébral, par des orifices appelés trous de conjugaison.

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Fig 2B.1 : Schéma d’un disque intervertébral

La détérioration des disques peut entraîner une compression des nerfs comme le montre la figure, et provoquer une névralgie locale, la plus connue étant la sciatique (la compression a lieu au niveau de la 4ème ou 5ème lombaire).

2.http://forum.votrechiro.com/vcforum/topic.asp?TOPIC_ID=593&FORUM_ID=3&CAT_ID =2&Forum_Title=1%2E1+Forum+ouvert&Topic_Title=Hernie+%2D+St%E9nose+%2DIllus t%2FHernie%2FStenose%2FSuivi&whichpage=

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Injection de ciments – fracture

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3. http://www.eurospine.org/f31000244.html

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Injection de ciments – ostéoporose

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4. http://www.eurospine.org/f31000244.html

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Chapitre 4B.2 Généralités sur les ciments phosphocalciques5

Définition : Les ciments phosphocalciques sont des matériaux relativement durs, biocompatibles et capables de faire prise rapidement. Une fois implantés dans le corps humain, ils sont remplacés graduellement par un tissu osseux.

Les premiers ciments ont été développés par Brown et Chow (1987) et ils étaient constitués de phosphate tétracalcique et de monétite ou de brushite. Depuis, de nombreuses compositions ont été proposées et, on peut classer ces ciments en différentes catégories selon la composition des poudres de départ [Chow 2001],

a) Ciments constitués de phosphate de calcium ou tout simplement de dérivés de calcium et de phosphore. Dans ces ciments la phase liquide est aqueuse contenant ou non des ions calcium ou phosphate. La prise du ciment est le résultat de la formation d’un ou plusieurs phosphates de calcium,

b) Ciments dont la phase solide est semblable à la précédente mais dont la phase liquide est constituée d’un acide organique. La prise résulte alors de la formation d’un phosphate acide tel que le DCPD,

c) Ciments dont la phase solide est constituée de phosphates de calcium et dont la phase aqueuse contient des polymères en solution. La prise du ciment est le résultat de la formation d’un orthophosphate de calcium et d’un précipité polymérique,

d) Ciments dont la prise est assurée par un processus de polymérisation. Les phosphates de calcium éventuellement présents dans ces matériaux ont seulement un rôle de charge.

5. M. Banu, Thèse « Mise en forme d’apatites nanocrystallines : céramiques et ciments. « N° d’ordre : 2228, Ecole doctorale : Matériaux-Structures-Mécanique, Spécialité : Science et Génie des Matériaux juin 2005.

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Chapitre 4B.3 Quelques travaux récents sur les ciments

Chapitre 4B.4A un composite apatite – polymère6 Here we report a simple one-vessel preparation of composites composed of a synthesized porous calcium de"cient apatite cement and the biodegradable polymer polycaprolactone (PCL) or the biostable polymer polymethyl methacrylate (PMMA). Experiments focused on maintaining porous materials, the walls of the bubble cavities and channels and crystal plate surfaces of the cement were thinly and evenly coated with monomer throughout the block, macrochannels partly and microchannels mainly remained unoccluded.

. Fig. 1. SEM micrographs of (a) DCPD and TCPM plates (b) microporous plate-like apatite cement formed after soaking in SBF. Scale bar"1 µm. Ces clichés montrent l’influence du SBF sur la morphologie des cristaux. 6. Walsh et al., Preparation of porous composite implant materials by in situ polymerization of porous apatite containing –caprolactone or methyl methacrylate, Biomaterials 22 (2001) 1205-1212.

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Chapitre 4B.4B un composite apatite – polymère & 7 transformation de phase We have previously shown that gelatin addition to calcium phosphate bone cement improves its mechanical properties. Dans cette étude on montre non seulement une modification du biomatériau après contact avec le SBF.

SEM micrographs of the fracture surfaces of the Gel-C samples after soaking in SBF for (a and b) 2 h and (c and d) 16 h. 7. A. Bigi et al., Setting Mechanism of a Biomimetic Bone Cement, Chem. Mater. 2004, 16, 3740-3745

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Figure 4. Powder X-ray diffraction patterns the gel-cement samples frozen after different times of soaking in SBF: (a) 5 min; (b) 20 min; (c) 2 h; (d) 8 h; (e) 16 h; (f) 24 h. The main reflections of DCPD are indicated with (*); the 002 reflection of CDHA is indicated with (). X-ray pattern shows the presence of a very small peak at 25.9° of 2, which corresponds to the 002 reflection of HA. The relative intensity of this reflection increases as a function of the soaking time, and HA is the only crystalline phase in the cements after 7 days of aging.

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Chapitre 4B.4C Ajout de Zn2+

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Recently, the effects of Zn2+ on osteogenesis stimulation have become major topics in the research fields of bone formation and organism essential elements. When human osteoblastic cells were incubated on the surface of AC discs, proliferation of human osteoblastic cells was significantly increased on the surface of AC that contained 5% ZnTCP when compared with that containing no ZnTCP. Le taux de Zn relargué est bien sûr en relation avec la teneur initial en Zn de l‘échantillon

8. K. Ishikawa et al., Fabrication of Zn containing apatite cement and its initial evaluation using human osteoblastic cells Biomaterials 23 (2002) 423–428

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Néanmoins une toxicité est observée pour l’échantillon le plus chargé

Conclusion In contrast, proliferation of human osteoblastic cells decreased on the surface of AC that contained 10% ZnTCP when compared with that free from ZnTCP; indicating cytotoxicity. We concluded therefore, that addition of ZnTCP to AC is useful to enhance the osteoconductivity of AC when release of Zn2+ can be carefully regulated.

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Chapitre 4B.4D Le rôle des carbonates dans la resorption de l’os9 The resorption of bone tissue and the osteoclast activities are essential for skeletal remodelling, regeneration and repair. During bone resorption and also during resorption of a bone substitution material, osteoclasts first attach to the bone surface by forming a tight contact – the so-called sealing zone – between the cell membrane and mineralized matrix. This sealing zone includes the cytoskeleton by forming an actin ring. The release of protons into the extracellular space below osteoclasts generates resorption lacunae on the calcium phosphate surface10. The pH within this sealing zone is around 411,12. It has been shown experimentally that both nanocrystallinity and a content of carbonate promote the resorption by osteoclasts13. Here we report on detailed in vitro studies of the biocompatibility and the resorption behaviour of two carbonated nanocrystalline apatites (0.5 and 1.2 wt.% carbonate) and of an amorphous calcium phosphate with 2.4 wt.% carbonate.

9. R. Detsch et al., The resorption of nanocrystalline calcium phosphates by osteoclast-like cells, Acta Biomaterialia 6 (2010) 3223–3233. 10. Vaes G. Cellular biology and biochemical mechanism of bone resorption. Clin Orthoped Rel Res 1988;231:239–71. 11. Silver IA, Murrils RJ, Etherington DJ. Microelectrode studies on the acid microenvironment beneath adherent macrophages and osteoclast. Exp Cell Res 1988;175:266–76. 12. Teitelbaum SL, Tondravi MM, Ross FP. Osteoclasts, macrophages, and the molecular mechanisms of bone resorption. J Leucocyte Biol 1997;61:381–8. 13. Yamada S, Heymann D, Bouler JM, Daculsi G. Osteoclastic resorption of calcium phosphate ceramics with different hydroxyapatite/b-tricalcium phosphate ratios. Biomaterials 1997;18:1037–41.

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Fig. 1. X-ray powder diffractograms of the five synthetic calcium phosphates. (A) - TCP; (B) nHA; (C) nCHA; (D) nCACP; (E) HA.

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Fig. 2. Scanning electron micrographs of the five samples: (A) -TCP. (B) nHA; (C) nCHA; (D) nCACP; (E) HA. Note the different magnifications.

SEM confirmed that the precipitated samples consisted of nanoparticulate material (Fig. 2) whereas HA and -TCP had an almost dense surface with a typical microcrystalline ceramic structure.

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Fig. 4. Primary osteoblast cultures were grown on different biomaterials to compare their effect on osteoblast differentiation. The expression of the osteoblast differentiation markers Runx2, osteocalcin and collagen type I alpha 1 on b-TCP, nCHA, nCACP and HA was measured by quantitative PCR. Error bars represent the standard deviation of three individual experiments.

The differentiation of primary osteoblasts on nCHA and nCACP was compared to that on HA and b-TCP (Fig. 4). The alkaline phosphatase activity of osteoblasts was similar on nCHA, nCACP and HA. On sintered b-TCP, however, slightly less alkaline phosphatase was detected.

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In Fig. 8 the cell attachment and distribution on (A)-TCP, (B)nHA,(C) nCHA, (D) nCACP and (E) HA after 14 days of incubation are shown.  Mostly monocytic cells attached to -TCP surface without cell fusion, i.e. the formation of giant cells (osteoclast-like cells) was inhibited by b-TCP.  A high cell density was found on nHA after 14 days of cultivation (Fig. 8B).

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Fig. 9. Scanning electron micrographs of the osteoclast-like cell culture on (A) -TCP, (B) nHA, (C) nCHA, (D) nCACP and (E) HA after 14 days of cultivation.   -TCP was mainly populated by monocytes (Fig. 9A). As well as the many monocytes attached on nHA (Fig. 9B), many osteoclastlike cells were formed, as clearly distinguishable by the different cell membranes. Osteoclast-like cell formation was also observed on nCHA (Fig. 9C).  However, compared to nHA, the osteoclast-like cells on nCHA were much smaller. On nCACP there were no osteoclast-like cells, but many cell–cell attachments and cell fusions were found (Fig. 9D)  The largest osteoclast-like cells were found on the HA reference material (Fig. 9E).

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Conclusion : The grain size of the calcium phosphate ceramics (nano vs. micro) was less important than expected from to physico-chemical considerations. When comparing the nanocrystalline samples, the highest resorption rate was found for nano-HA with a low carbonate content, which strongly stimulated the differentiation of osteoclast-like cells on its surface.

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Chapitre 4B.3e Ciments phosphatiques et ajout de nanoparticules d’argent14 Bone cement based on polymethylmetacrylate (PMMA) is golden standard for the anchoring of artificial joints15. Like all biomaterials PMMA has an elevated risk of infection when implanted into the human body compared to autogenous vital tissue16. Buchholz and Engelbrecht17 were the first to load bone cement with antibiotics to reduce infection rates in arthroplasty. The first significant reduction of infection rate by the use of gentamicin loaded bone cement compared to plain PMMA cement was reported by Thierse18. Now, antibiotic loaded bone cements are widely used nowadays19. The increasing number and percentage of total joint infections with multiresistant bacteria20 makes an adequate prophylaxis against these organisms necessary which cannot be achieved by standard antibiotic bone cements. The broad antimicrobial effect of silver is well known and it has been used in different fields in medicine since years, e.g. as Crede’s prophylaxis for ophthalmia neonatorum21, in wound healing22 or in biomaterials23. Relevant clinical cytotoxicity of silver has also been reported24. 14. V. Alt et al., An in vitro assessment of the antibacterial properties and cytotoxicity of nanoparticulate silver bone cement, Biomaterials 25 (2004) 4383–4391. 15. Breusch SJ, Aldinger PR, Thomsen M, Ewerbeck V, Lukoschek M. Anchoring principles in hip endoprostheses. I: prosthesis stem. Unfallchirurg 2000;103:918–31. 16. Gristina AG. Biomaterial-centered infection; microbial adhesion versus tissue integration. Science 1987;237:1588–95. 17. Buchholz HW, Engelbrecht H. U. ber die Depotwirkung einiger Antibiotika bei Vermischung mit dem Kunstharz Palacos Chirurg 1970;40:511–5. 18. Thierse L. Erfahrungen mit Refobacin-Palacos im Hinblick auf die tiefen Sp.atinfektionen nach H.uftoperationen. Z Orthop 1978;116:847–9. 19. van de Belt H, Neut D, Schenk W, van Horn JR, van der Mei HC, Busscher HJ. Infection of orthopedic implants and the use of antibiotic-loaded bone cements. A review. Acta Orthop Scand 2001;72:557–71. 20. Kilgus DJ, Howe DJ, Strang A. Results of periprosthetic hip and knee infections caused by resistant bacteria. Clin Orthop 2002;404:116–24. 21. Cred!e KSF. Die Verh.utung der Augenentz.undung der Neugeborenen, der h.aufigsten und wuchtigsten Ursache der Blindheit. A. Hirschwald, Berlin, 1894.

21

The purpose of this study was to evaluate bone cement loaded with a new form of silver consisting of metallic silver particles with a size of 5–50 nm called NanoSilver. Antibacterial activity against S. epidermidis, RSE and MRSA of bone cement loaded with NanoSilver was studied in vitro.

22. Chu CS, McManus AT, Pruitt BA, Mason AD. Therapeutic effects of silver nylon dressing with weak direct current on Pseudomans aeruginosa infected burn wounds. J Trauma 1988; 28:1488–92. 23. Bechert T, Steinr.ucke P, Guggenbichler JP. A new method for screening antibacterial biomaterials. Nat Med 2000;6: 1053–6. 24. DiVincenzo GD, Giordano CJ, Schiever LS. Biologic monitoring of workers exposed to silver. Int Arch Occup Environ Health 1985;56:205–15.

22

Population bactérienne proportionnelle à la densité optique

23

This new form of silver called NanoSilver was free of in vitro cytotoxicity and showed high effectiveness against multiresistant bacteria. If the results can be confirmed in vivo NanoSilver may have a high interest in joint arthroplasty.

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Chapitre 4B.4 Méthodes d’élaboration classique La méthode d’élaboration des céramiques phosphocalciques, la plus utilisée, est le frittage naturel à haute température, (1300 °C)25. Cependant, ce procédé ne permet pas d’obtenir des céramiques constituées d’apatites mal cristallisées plus proches des tissus biologiques. Par ailleurs, au cours du chauffage, la surface spécifique de ces matériaux diminue considérablement, Définition26 : La surface spécifique désigne la superficie réelle de la surface d'un objet par opposition à sa surface apparente. Cela a une grande importance pour les phénomènes faisant intervenir les surfaces, comme l'adsorption ou les échanges de chaleur. On l'exprime en général en surface par unité de masse, en mètre carré par kilogramme (m2·kg-1), ou en une des unités dérivées (par exemple mètre carré par gramme, 1 m2·g-1 = 1 000 m2·kg-1). On parle de ce fait parfois d'aire massique.

- leur réactivité de surface est très atténuée, -

Leur interaction avec certaines molécules biologiques actives, en particulier est limitée.

- Enfin, les biomatériaux à base d’apatite stœchiométrique sont très stables et non résorbables.

25. Bernache-Assollant D., Ababou A., Champion E. and Heughebaert M., Sintering of calcium phosphate hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 I. Calcination and particle growth, Journal of the European Ceramic Society, vol. 23(2), pp. 229-241,(2003). 26. http://fr.wikipedia.org/wiki/Surface_sp%C3%A9cifique

25

La réalisation de céramiques résorbables à base de phosphate de calcium est cependant possible par l’utilisation de composés biphasiques (Biphasic Calcium Phosphates, BCP) constitués d’hydroxyapatite stœchiométrique et de phosphate tricalcique27. Ces composés sont aujourd’hui les céramiques à base de phosphate de calcium les plus utilisées, notamment en substitution d’allogreffes. La vitesse de résorption des BCP peut être modulée en fonction de la quantité de phosphate tricalcique. Toutefois ces composés sont difficilement associables à des molécules

actives du fait - de leur faible surface spécifique - de leur faible réactivité de surface.

27 Bouler Jean-Michel, LeGeros Racquel Z., Daculsi Guy, Biphasic calcium phosphates: influence of three synthesis parameters on the HA/β-TCP ratio; Journal of Biomedical Materials Research, vol. 51(4), pp. 680-684, (2000).

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Chapitre 4B.5 Nouvelles méthodes d’élaboration - Essai de compaction à froid

Une autre possibilité consiste à réaliser des biocéramiques à basse

température préservant la structure et la réactivité des apatites déficientes. La résorbabilité de ces composés serait alors assurée par un contrôle de la stœchiométrie et on pourrait espérer préserver leur réactivité de surface. Chapitre 4B.5a Déroulement de l’étude

Les essais de compaction à froid ont été réalisés sur des apatites nanocristallines fraîchement précipitées riches en environnements labiles (ions HPO42- et PO43- non- apatitiques, mobiles), offrant une réactivité de surface accrue. Nous donnerons tout d’abord les caractéristiques de la poudre de départ, puis nous exposerons les essais de compactage et les caractérisations physicochimiques des pastilles ainsi obtenues.

Chapitre 4B.5b Synthèse et caractérisation de la poudre de départ

La poudre a été préparée par double décomposition entre une solution d’un sel de calcium (solution A: 21,8 g CaCl 2, 2H2O (0,148 moles) dans 250 ml d’eau desionisée) & une solution d’un sel de phosphate (solution B: 109 g Na2HPO4, 12H2O (0,304 moles) dans 750 ml d’eau desionisée). La solution A a été versée rapidement à température ambiante dans la solution B. Le pH de la suspension après précipitation reste proche de 7,40, valeur imposée par l’excès d’ions phosphate, qui tamponne la solution.

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Le précipité a été filtré et lavé avec 750 ml d’eau desionisée pour éliminer les ions phosphate en excès ainsi que les contre-ions solubles de la solution de précipitation.Le gel a été ensuite lyophilisé. La poudre très fine obtenue est stockée au congélateur afin de conserver sa réactivité et d’éviter toute évolution vers des états mieux cristallisés. L’écart à la stœchiométrie de la poudre obtenue a été évaluée par analyse chimique, sa caractérisation physico-chimique a été complétée par diffraction des Rayons X, spectroscopie d’absorption infrarouge à transformée de Fourier, microscopie électronique à transmission,

B.E.T, et analyse thermo-

gravimétrique. Chapitre 4B.5c Analyse chimique Les résultats obtenus indiquent un rapport atomique Ca/P proche de 1,38 (±

0,02), en accord avec les valeurs généralement obtenues pour cette

préparation. Ce rapport très proche de 1,33 qui est celui de l’OCP (Phosphate Octacalcique : Ca8(HPO4)2(PO4)4, 5H2O), traduit un écart important à la stœchiométrie pour ces apatites mal cristallisées. Le dosage des ions hydrogénophosphate effectué selon des méthodes couramment utilisées dans notre laboratoire nous donne une teneur de 29% (P sous forme de HPO42- par rapport au P total). Ce pourcentage est généralement trouvé pour les préparations d’hydroxyapatite mal cristallisées fraîchement précipitées.

28

Chapitre 4B.5d Diffraction des rayons X Le diagramme de diffraction des rayons X de la poudre d’apatite mal cristallisée fraîchement précipitée obtenue par double décomposition est représenté sur la figure II-4.

Ce diagramme est caractéristique d’une apatite mal cristallisée et indique l’absence de toute autre phase étrangère cristallisée.

La présence de phase amorphe ne peut cependant être totalement exclue. On peut noter que le fond continu est particulièrement élevé sur nos diagrammes cette caractéristique autrefois attribuée à la présence de phase amorphe28 pourrait être due à l’existence d’un phénomène de diffusion "non-cohérent" des rayons X dû à de nombreux défauts cristallins.

28. Harper R.A., Posner A.S., Measurement of non-crystalline calcium phosphate in bone mineral; Proc. Soc. Exp. Med., vol. 122, pp. 137-142, (1966).

29

L’élargissement des raies de diffraction permet la détermination - de la taille moyenne des cristallites29 - et du désordre cristallin30.

29. Scherrer P., Gött. Narch., vol. 2, pp. 98, (1918). 30. Hosemann R., Bagchi S.N., Direct analysis of diffraction by matter, Amsterdam : North Holland, pp. 302 – 350, (1962).

30

Taille moyenne des cristallites

31

Désordre cristallin La largeur des raies de diffraction dépend cependant d’autres facteurs que la taille des cristallites. Le désordre cristallin notamment, pourrait dans le cas des apatites nonstoechiométriques, jouer un rôle important. La théorie de Hosemann peut être utilisée afin de déterminer l’amplitude relative de ces imperfections structurales. La sensibilité à ces imperfections augmente avec l’ordre de réflexion. Nous n’avons pas pu prendre en compte la raie 006 à cause de sa faible intensité, nous avons seulement considéré les raies 002 et 004 des diagrammes.

32 Les résultats obtenus en utilisant ces méthodes, présentés dans le tableau II-1, révèlent une élongation des cristaux suivant l’axe c de la maille hexagonale ; comme schématisé dans la figure II-5.

33

Chapitre 4B.5e La microscopie électronique à transmission Des cristaux apparaissent sous forme de plaquettes allongées de formes très irrégulières. Cette morphologie paraît assez incompatible avec une structure cristalline hexagonale; En effet l’axe c de l’hexagone correspond, comme le montre la diffraction des rayons X, à la direction la plus grande des plaquettes, mais les deux directions perpendiculaires à l’axe c ne semblent pas équivalentes dans les nanocristaux.

Cette anomalie est également observée pour les cristaux d’apatite biologique et a été attribuée à la formation d’une phase intermédiaire métastable, souvent le phosphate octocalcique monoclinique, au cours de la précipitation31. La taille des nanocristaux semble correspondre à celle donnée par l’élargissement des raies de diffraction.

31. Elliott J.C., Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium orthophosphate; Studies in Inorganic Chemistry 18, Amsterdam, London, New York, Tokyo: Elsevier, (1994).

34

Chapitre 4B.5f Spectroscopie Infra rouge Le spectre d’absorption infrarouge de l’apatite mal cristallisée fraîchement précipitée est présentée sur la figure

On observe la présence des bandes phosphates caractéristiques des phases apatitiques : 1081 et 1030 cm-1 (mode 3 du PO43-), 960 cm-1 (mode 1 du PO43-) 601 et 570 cm-1 (mode 4 du PO43-) 474 cm-1 (mode 2 du PO43-)

35

Le spectre révèle par ailleurs la présence des bandes attribuables aux ions HPO42- à 1180, 1250 et 875 cm-1. On note également l’absence de bandes caractéristiques du aux ions OH- (630 et 3560 cm-1) et CO32- (1410 et 1450 cm1

), et la forte intensité des bandes correspondantes aux molécules d’eau (1630 et

3000 – 3400 cm-1). Le domaine compris entre 700 et 400 cm-1, correspondant au mode de vibration 4 des ions phosphates, nous permet d’obtenir des informations complémentaires en utilisant une méthode de décomposition des bandes. La décomposition a été réalisée à l’aide du logiciel GRAMS32v5, (Galactic, Salem, NH) qui nous a permis de décomposer ce domaine en huit bandes d’absorption distinctes de forme lorentzienne.

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Tableau : Modèle utilisé pour décomposer le domaine d’absorption infrarouge 400 – 700 cm-1 en huit bandes d’absorption distinctes.

Les attributions des bandes de vibration infrarouge après décomposition du domaine 700 – 400 cm-1 de l’apatite mal cristallisée fraîchement précipitée sont indiquées par la figure II-9.

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Les proportions relatives des aires des bandes correspondant aux différentes espèces permettent de caractériser avec précision les apatites nanocristallines mal cristallisées notamment en ce qui concerne les ions PO42-

Nous observons la faible proportion de HPO42- apatitiques (0,042) par rapport aux HPO42- non-apatitiques (0,210). Des valeurs équivalentes ont précédemment étés obtenues par des études sur les apatites très peu matures réalisées par Cazalbou32 et Eichert33. Les rapports sont très sensibles à l’état de maturation des apatites et permettent une caractérisation fine des échantillons, comme nous le verrons par la suite.

32. Cazalbou S., Echanges cationiques impliquant des apatites nanocristallines analogues au minéral osseux ; Thèse INP : Toulouse ; (2000). 33. Eichert D., Etude de la réactivité de surface d’apatites de synthèse nanocristallines ; Thèse INP : Toulouse , (2001).

38

Chapitre 4B.5g Analyse thermogravimétrique

La courbe obtenue par analyse thermo-gravimétrique permet de doser quantitativement l’eau résiduelle associée à la poudre. Cette quantité d’eau correspond à l’eau adsorbée sur les nanocristaux et à l’eau associée aux environnements labiles. Il n’a pas été possible de distinguer ces différents types de molécules d’eau. Nous pouvons observer trois pertes de masse. 

La première, entre 25°C et 250°C, qui est de 6,75%, correspond à la

perte d’eau adsorbée sur les nanocristaux et à l’eau associée aux environnements non-apatitiques.

-

39



La deuxième perte de masse, de 2,53%, observée entre 250°C et

550°C correspond à la condensation des ions HPO4 2- en ions P2O74- et à de l’eau plus fortement liée, peut-être intracristalline.

40



La troisième perte de masse est de 0,79% et se produit entre 650°C et

850°C, elle correspond à la réaction d’une partie des ions P2O7

4-

avec les ions

OH- de la structure apatitique et à la formation de phosphate tricalcique. Cette perte permet d’évaluer la teneur en ions OH- de la phase apatitique juste avant la décomposition: elle correspond à 1,5 % en masse soit environ 0,8 ions par mole d’apatite au lieu de 2 pour une apatite stœchiométrique.

41

Chapitre 4B.5h B.E.T. Le B.E.T. est une technique d’analyse qui peut apporter des informations sur la surface spécifique des solides. Dans notre cas la surface spécifique de l’apatite mal cristallisée est de 118,37 m2•g-1, valeur relativement importante, qui permet de supposer une réactivité de surface accrue.

Récapitulation Analyse chimique Les résultats obtenus indiquent un rapport atomique Ca/P proche de 1,38 (± 0,02), en accord avec les valeurs généralement obtenues pour cette préparation. Ce rapport très proche de 1,33 qui est celui de l’OCP (Phosphate Octacalcique : Ca8(HPO4)2(PO4)4, 5H2O), traduit un écart important à la stœchiométrie pour ces apatites mal cristallisées. La diffraction des rayons X Ce diagramme est caractéristique d’une apatite mal cristallisée et indique l’absence de toute autre phase étrangère cristallisée. La présence de phase amorphe ne peut cependant être totalement exclue. Le calcul de la taille réelle des cristallites, en écartant le désordre cristallin, suivant une direction perpendiculaire à l’axe c de la maille n’a pas été possible, car les raies des familles de plans (hk0) sont très mal définies et difficile à observer. La microscopie électronique à transmission Des cristaux apparaissent sous forme de plaquettes allongées de formes très irrégulières. Cette morphologie paraît assez incompatible avec une structure cristalline hexagonale. Cette anomalie est également observée pour les cristaux d’apatite biologique et a été attribuée à la formation d’une phase intermédiaire métastable, souvent le phosphate octocalcique monoclinique, au cours de la précipitation. La spectrophotométrie infra rouge Nous observons la faible proportion de HPO4$ 2- apatitiques (0,042) par rapport aux HPO4 2- non-apatitiques (0,210).

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Chapitre 4B.5i Compaction à froid La compaction a été effectuée dans un moule en acier (réf. Z200C13V), de 12 mm de diamètre et 56 mm d’épaisseur utile, non étanche, associé à une presse HOUNSFIELD Série S.

Environ 2 g de poudre lyophilisée sont introduits dans le moule. La vitesse de déplacement du piston est de 1 mm•min-1, la pression est maintenue pendant 2 minutes à 200 MPa. Les cylindres ainsi obtenus ont été caractérisés du point de vue physico-chimique et leurs propriétés mécaniques ont été testées en compression.

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Chapitre 2.4.4.9 Morphologie des pastilles obtenues Les dimensions des pastilles obtenues après compaction sont indiquées dans le tableau II-3. Dans certains cas les pastilles ont été usinées de façon à obtenir des échantillons adéquats pour le test de compression axiale : ponçage pour rendre les faces bien parallèles et perpendiculaires à l’axe longitudinal; usinage au tour pour rendre les génératrices bien symétriques. Les épaisseurs des pastilles obtenues sont supérieures au diamètre, et par conséquent elles peuvent être considérées conformes pour le test de compression axial.

La densité apparente calculée à partir des dimensions des pastilles et de leur masse est de 1,40, valeur relativement faible par rapport à la densité théorique d’une pastille non poreuse (2,93) correspondant à une apatite mal cristallisée de rapport atomique Ca/P voisin de 1,38. La densité apparente des pastilles ne représente donc que 48 % de la densité théorique calculée dans le cas de notre apatite déficiente.

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Chapitre 2.4.4.10 Diffraction des rayons X et Spectroscopie Infrarouge La diffraction des rayons X et la spectroscopie infrarouge ne montrent aucune modification par rapport au produit de départ, l’état cristallin et la structure étant inchangées. Chapitre 2.4.4.11 Propriétés mécaniques - Résistance à la compression axiale Le test de résistance à la compression sur deux échantillons nous donne des valeurs pour la contrainte à la rupture de 20,51 MPa et 79,80 MPa. En dépit du fait que les échantillons ont été mis en forme dans les mêmes conditions et présentent des morphologies tout à fait similaires, les valeurs sont très éloignées l’une de l’autre, illustrant les difficultés rencontrées, sur le même lot de pastilles céramiques, concernant l’obtention de mesures reproductibles et comparables.

La mise en forme « à froid » ne nous à pas permis d’atteindre de grandes densités relatives et de bonnes propriétés mécaniques. Afin d’améliorer ces caractéristiques, nous avons effectué divers essais de chauffage des cylindres "verts" obtenus par compaction à froid.

Tout d’abord des essais ont été menés à très basse température (50 et 100°C) puis à des températures de frittage plus conventionnelles (800-1200°C).