Analyse des solutions SBF après immersion 1 Technique de caractérisation

I.5.4.1.1. Principe

La spectrométrie d’émission optique ou ICP-AES (Inductively Coupled Plasma – Optical Emission Spectrometry) spectroscopie d'émission atomique inductivement couplée de plasma

permettant de doser la quasi-totalité des éléments simultanément. C’est une méthode quantitative dont la sensibilité est inférieure à la ppm [16], [17], [18].

Les échantillons solides à analyser doivent se présenter sous forme de solution, et sont donc

préalablement dissous dans de l’acide. Les solutions sont ensuite nébulisées, puis ionisées par

pulvérisation dans un plasma d'argon, c'est-à-dire que les atomes de la matière à analyser sont transformés par le plasma à très haute température (jusqu'à 8 000 K) en ions, dont les électrons périphériques sont excités.

Leur retour à l’état fondamental s’accompagne de l’émission de photons dont la longueur d’onde est caractéristique de l'élément. La lumière émise par l’élément recherché est mesurée par un

détecteur circulaire. Ce dernier mesure simultanément les intensités émises entre 100 et 800 nm, grâce à deux réseaux et 19 capteurs CCD (Charge Coupled Device) disposés le long du cercle.

L’intensité mesurée est enfin comparée à celle émise par le même élément contenu dans un

échantillon de concentration connue (solution étalon), analysé dans les mêmes conditions.

I.5.4.1.2. Protocol expérimental

Nos échantillons sont mis en solution dans l’acide nitrique à 2 %. S’ils se présentent déjà

sous forme liquide, 2 % d’acide nitrique sont également rajoutés dans les solutions. Une fois

acidifiées, les solutions sont envoyées à la nébulisation, grâce à une pompe isostatique, puis pulvérisées en fines gouttelettes (spray) dans la chambre de nébulisation. Le spray est ensuite

transporté vers le plasma grâce à un courant d’argon.

L’ICP-AES est une méthode comparative. Une solution d’acide nitrique à 2 % permet de faire le « zéro ». Pour chaque série d’analyses, six solutions étalons multiélémentaires de

concentrations connues sont préparées de façon à encadrer les valeurs théoriques à analyser.

L’analyse de ces solutions étalons, permet, ainsi, de tracer des droites d’étalonnage en concentration

pour chaque élément à mesurer dans nos échantillons. Les longueurs d’ondes caractéristiques des atomes émetteurs analysés sont choisies de façon à minimiser les interférences.

I.5.4.2. Résultats

Afin de déterminer la composition chimique des milieux physiologiques utilisés pour les études de biocompatibilité, des mesures ont été réalisées sur les solutions SBF après immersion pour des périodes allant de 0 à 21 jours et pour tous les échantillons. En effet, l'analyse élémentaire des ions de Ca et de P de ces céramiques a été vérifiée par ICP-AES.

L’évolution de la concentration en calcium (Figure III.13.) dans le SBF, présente de fortes

variations en fonction du taux de la substitution en magnésium. La courbe peut être divisée en deux niveaux distincts pour des taux bas et élevée de substitution en magnésium. Pour Mg0,0-HA et

Mg0,2-HA et Mg0,4-HA, la concentration en calcium est stable jusqu’à 7 jours d’immersion, à des

valeurs plus ou moins élevées. Une diminution significative de la concentration en calcium est observée après 7-9 jours d’immersion. Dans le cas des céramiques Mg0,6-HA, Mg0,8-HA et Mg1,0-

HA,la concentration en calcium atteind des valeurs maxiales après 3 jours seulement d’immersion,

puis elle commence à baisser , avant de devenir presque stable après 14 jours d’immersion. Cette variation durant les 7 premiers jours est expliquée par la succession des cycles de relarguage du calcium hors de la matrice biocéramique selon l’équation chimique (Eq. (1)), suivie d’une adsorption du même élément après la durée précitée (7jours). Celui-ci est alors prélevé du SBF et utilisé pour la formation de la couche de phosphate de calcium à la surface des céramiques (Eq. (2)).

Ca10-xMgx(PO4)6(OH)2 (10-x)Ca2++ x Mg + 6 PO43+ 2 OH Eq. (1)

10 Ca2++ 6 PO43+ 2 OH Ca10(PO4)6(OH)2 Eq. (2)

0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 ,0 2 ,5 3 ,0 3 ,5 4 ,0 M g 0.0H A M g 0.2H A M g 0.4H A M g 0.6H A M g 0.8H A M g 1.0H A C o n ce n tr at io n d es io n s C a 2+ ( m M ) T e m p s d 'im m e rs io n (jo u rs )

Figure III.13. Concentration de Ca dans le SBF en fonction du temps d’immersion pour

les différentes compositions.

La Figure III.14. présente l’évolution de la concentration en phosphore dans le SBF en

fonction du taux de magnésium pour les différentes périodes d’immersion de 0, 3, 7, 14 et 21 jours.

La concentration du phosphore suit une évolution pareille que celle du calcium. Une faible augmentation de la concentration en phosphore après 7 jours d’immersion est observée pour Mg0,2-

HA par rapport à Mg0,0-HA, alors que pour Mg0,4-HA, la concentration en phosphore, continue

d’augmenter après 3 jours d’immersion, mais toujours faiblement (environ 4,2 mM au maximum).

La concentration en phosphore augmente ensuite rapidement pour atteindre un maximum après 3 jours seulement d’immersion environ 0,73 mM pour Mg0,6-HA et 0,96 mM pour Mg1,0-HA. Le

phosphore prélevé du SBF est également utilisé pour la formation à la surface des céramiques de la couche de phosphate de calcium selon la même équation (2).

La Figure III.14. prouve qu'avec l'augmentation de la substitution de magnésium jusqu'à x= 0,6 dans la formule chimique Ca10-xMgx(PO4)6(OH)2, la concentration des ions Ca2+et PO43-dans le

SBF augmente aussi, indiquant que la solubilité augmente avec l'augmentation du contenu de

magnésium de l’hydroxyapatite après 3 jours d’immersion, alors qu’après 7 jours d’immersion, les

concentrations des ions Ca2+ et PO43diminuent significativement après saturation du milieu SBF.

Ces comportements pourraient être expliqués par la solubilité des poudres et la précipitation appropriée des couches d'apatite sur la surface qui a augmenté simultanément.

0 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1 ,0 1 ,1 1 ,2 1 ,3 1 ,4 1 ,5 T e m p s d 'im m e rs io n (jo u rs ) C o n ce n tr at io n d es io n s P ( m M ) M g 0.0H A M g 0.2H A M g 0.4H A M g 0.6H A M g 0.8H A M g 1.0H A

Figure III.14. Concentration de P dans le SBF en fonction du temps d’immersion pour

les différentes compositions.

En fait, la solubilité des échantillons croit avec l’augmentation de la substitution en magnésium dans les poudres ; le taux de précipitation sera donc plus important. Selon l'analyse par diffraction des rayons X, le magnésium a été probablement introduit dans la structure de l'apatite, ce qui cause une contraction de volume de la maille (Tableau II.10). La diminution du volume de maille donne naissance à des défauts dans la structure apatitique, qui constitue par la suite des sites de nucléation après immersion dans le milieu SBF. D'ailleurs, l'augmentation de la concentration en Ca2+ et PO43- (Figure III.13-14) est la conséquence de la dissolution rapide et l'augmentation de

l'état de la super-saturation du système ; ce qui crée plus de sites de nucléation. En outre, il convient à noter que l'augmentation de ces derniers, favorise la précipitation de la couche apatitique directement du SBF sur la surface des poudres étudiées.

0 7 14 21 7,35 7,40 7,45 7,50 7,55 7,60 7,65 7,70 7,75 7,80 M g0.0HA M g0.2HA M g0.4HA M g0.6HA M g0.8HA M g1.0HA p H

Temps d'immersion (jours)

Figure III.15.Variation du pH du SBF en fonction du taux de magnésium.

Les courbes de tendance du pH en fonction du taux de magnésium sont montrées sur la Figure III.15. Les résultats indiquent que le pH de la solution de SBF a changé légèrement de 7,4 à

7,5 jusqu’à x=0,4 du taux de magnésium dans la formule chimique Ca10-xMgx(PO4)6(OH)2, et varie

de 7,5 à 7,6 pour les niveaux élevés du magnésium. Il est évident que la substitution croissante en magnésium des échantillons pour Mg0,6-HA, a causé une augmentation forte du pH, suite à la

présence des ions Ca2+ et PO43- dans le milieu SBF, ainsi que la libération des groupements

hydroxyles de l’hydroxyapatite substituée en magnésium, suivant la même équation chimique (1).

Les résultats montrent que le changement du pH est lié à la solubilité, et la précipitation de la couche apatitique produite pendant l’immersion des céramiques d’hydroxyapatite substituée par les ions de magnésium.

Ainsi, selon les résultats de l’étude de la morphologie de la surface des céramiques par microscopie électronique à balayage (Figure III.5-9.) et l’analyse élémentaire des solutions SBF (Figure III. 13-14), il peut être conclu que l'augmentation du taux de magnésium est un facteur principal pour une croissance rapide des cristaux d'apatite, corrobore les interprétations ci-dessus. De même, la substitution de l’hydroxyapatite en magnésium, améliore la bioactivité de l’HA

stœchiométrique. L'évaluation in vitro d'un matériel dans le SBF et l'aptitude à la formation de

l'apatite à la surface, est utile pour prévoir la bioactivité in vivo du matériel, non seulement qualitativement, mais également quantitativement. Les résultats ont précisé que les nanopoudres synthétisées de Mgx-HA, ont présenté la bioactivité élevée dans la solution de SBF.