CERAMIQUES D’HYDROXYAP ATITE

L’hydroxyapatite (HA) fait partie des apatites qui constituent le minéral phosphaté le plus abondant sur terre. L’HA est chimiquement similaire à la fraction minérale des os et des tissus durs. Il fait partie des matériaux classés comme bioactifs, ce qui signifie qu’il soutient la croissance osseuse et l’ostéo-intégration (sans se décomposer ou se dissoudre) dans des applications orthopédiques, dentaires et maxillo-faciales.

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La nature chimique de l’hydroxyapatite est favorable à la substitution, ce qui signifie qu’il existe des hydroxyapatites non stoechiométriques. Les substitutions les plus courantes concernent le carbonate, le fluorure et le chlorure qui substitue des groupes hydroxyles, tandis que des défauts peuvent également exister résultant en une hydroxyapatite déficitaire.

Les apatites existent principalement sous la forme de fluoroapatite ou d’apatite carbonatée. Tous les phosphates de calcium évoluent en milieu naturel vers la forme apatitique la plus stable. Les apatites sont des minéraux de formule générale : Me₁₀(XO₄)₆Y₂

où :

Me est un cation bivalent (Ca²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺, Ba²⁺, etc.) XO4 est un anion trivalent (PO4^3-, SO4^3-, VO4^3-, etc.)

Y est un anion monovalent (Cl^-, OH^- ou F^-). On parle alors de chlorapatite, d’HAP ou de fluoroapatite.

Figure 11 : Représentation de l'hydroxyapatite.

La cristallinité décrit l’organisation du cristal, qui est à la fois affectée par sa taille et sa pureté. Dans l’organisme, la formule de l’HA est très largement modulée par des substitutions ou des lacunes. Une substitution courante concerne le remplacement d’un ou plusieurs anions par des ions carbonates, conduisant à l’HA carbonatée. Il existe 2 types de substitutions par les

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carbonates : 1) la substitution de type A, où les groupes OH- sont substitués par des groupements CO3^2-, et 2) la substitution de type B, où les groupes PO4^3- sont substitués par des groupements CO₃^2- (Penel et al., 1998). Dans l’os mature, environ 5 à 8 % du minéral est carbonaté et en majorité par de la substitution de type B (Antonakos et al., 2007). Ces substitutions induisent l’apparition de défauts et de distorsions dans l’arrangement atomique des cristaux. Dans l’HA de type A, le remplacement d’un ion monovalent par un ion divalent est compensé par l’apparition d’une lacune. Dans l’HA de type B, la substitution d’un groupe PO4^3- par un groupe CO₃^2- cause principalement la création d’une lacune au niveau des Ca2+

et des OH^-. Ces changements sont observés au niveau des spectres Raman réalisés sur le minéral osseux. La bande υ3 du groupement PO4 est la bande la plus affectée par la substitution de type B. L’intensité de cette bande augmente avec le taux de substitution (Penel et al., 1998) et la concentration en CO3.

Structure cristallographique de l’hydroxyapatite

L’hydroxyapatite appartient au groupe de symétrie du système hexagonal de groupe d’espace P63/m. Les paramètres de maille des cristaux sont a = b = 9,432 Å et c = 6,881 Å. Les angles α et β sont égaux à 90° et γ (angle entre a et b) est égal à 120°.

La formule chimique Ca10(PO4)6(OH)2 indique la maille élémentaire de l’HA. Les analyses par diffraction de rayons X et par diffraction de neutrons ont également déterminé les coordonnées des atomes dans la maille. L’apatite est essentiellement constituée d’un squelette formé d’ions phosphate (PO4^3-) disposés en deux couches par maille dans lesquelles ils constituent des arrangements hexagonaux. La disposition de ces couches de tétraèdres PO4^3- est telle qu’il existe, perpendiculairement à elles, deux jeux de tunnels. Le premier coïncide avec l’axe ternaire de la structure. Ces tunnels sont occupés par les ions calcium notés Ca(I). Ils sont coordinés par neuf atomes d’oxygène appartenant aux groupements PO4^3-. Le deuxième jeu, dont les axes coïncident avec les axes sénaires du réseau, est bordé par des atomes d’oxygène et des ions calcium notés Ca(II). Les axes sont occupés par les ions hydroxyle. Les ions calcium Ca(II) sont coordinés par six atomes d’oxygène, des tétraèdres PO4^3- et par un ion hydroxyle, soit une coordinance globale de 7 (Figure 12). Le diamètre de ces tunnels (0.3 nm) est supérieur au diamètre du premier jeu. Ils confèrent au réseau des apatites des propriétés d’échangeurs d’ions.

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Figure 12 : Représentation schématique des quatre mailles hexagonales formées par les ions Ca(II). Les tunnels sont occupés par les ions Ca(I) et OH.

1.4.2. PROTEINES MULTIFONCT IONNELLES DES MATRIC ES

EXTRACELLULAIRES

La fibronectine contribue à la fois à organiser la matrice et à favoriser l’adhérence des cellules à la matrice extracellulaire. La fibronectine, constituée de deux sous-unités α et β (poids moléculaire d'environ 230 kDa chacune) réunies par une paire de ponts disulfure, forme un réseau fibrillaire. Grâce à l’épissage alternatif de l’ARNm, le même gène est à l’origine de plusieurs sous-unités. La protéine est essentiellement une association de trois types de domaines (I, II, III) qui se répètent plusieurs fois. Les différents domaines se disposent en sites d’interactions spécifiques avec d’une part les constituants moléculaires de la matrice extracellulaire (formation d’une trame) et d’autre part les cellules (par l’intermédiaire des intégrines). Un site important pour la fixation des intégrines est la séquence arginine-glycine-acide aspartique (RGD), qui se situe dans le domaine FIII₁₀ (Figure 13).

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Figure 13: La fibronectine : structure modulaire.

La combinaison de modules de type I, II et III est représentée pour un seul des deux brins du dimère.

La protéine est libérée dans le milieu extracellulaire sous forme globulaire soluble. Le contact avec les intégrines linéarise la molécule, qui peut ainsi s'associer avec ses homologues et d’autres composants de la matrice extracellulaire. La fibronectine joue un rôle important dans le guidage des cellules lors des migrations embryonnaires chez les vertébrés (gastrulation et migration des cellules de la crête neurale). L’importance de la fibronectine est démontrée lors de la transgenèse expérimentale chez la souris: les embryons dépourvus du gène de la fibronectine ne dépassent pas le neuvième jour embryonnaire à cause d’un déficit dans le développement du mésoderme, du tube neural et des vaisseaux sanguins. Chez l’adulte, la fibronectine joue également un rôle central dans les processus de cicatrisation (Valenick LV et al., 2005).

La conformation de la fibronectine en solution n’a pas été encore déterminée. Les techniques de sédimentation, de diffusion de lumière, et de microscopies électronique et à force atomique ont fourni des ordres de grandeur des différentes formes de la protéine (Figure 14). Ainsi, la forme compacte aurait un rayon de 10 à 15nm tandis que celui de la forme étendue serait environ le double. La longueur de contour d’une chaîne de modules repliés est de l’ordre de 60-70nm, tandis qu’une chaîne polypeptidique dans laquelle les modules sont entièrement déroulés atteindrait 600nm.

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Figure 14 : Ordres de grandeur des dimensions de la fibronectine. Au-dessus, à gauche, conformation compacte de la fibronectine d’après (Johnson et al, 1999) et à droite la forme étendue de la fibronectine (Benecky et al, 1991). Les dimensions des conformations compactes et étendues sont calculées de manière approximative d’après (Benecky et al, 1991; Rocco et al, 1984; Erickson et Carrell, 1983; Williams et al, 1982; Koteliansky et al, 1981) ; les longueurs de contours d’un monomère d’après (Erickson et Carrell, 1983; Tooney et al, 1983; Erickson et al, 1981) et d’un monomère dans lequel les modules sont dépliés d’après (Oberdörfer et al, 2000).

Les valeurs données dans la figure 14 reflètent une moyenne des valeurs de la littérature, qui varient selon les auteurs et les techniques utilisées.

La vitronectine est une glycoprotéine de 75 kDa qui se trouve aussi dans les matrices extracellulaires. Elle est constituée de 459 acides aminés (Figure 15). Environ un tiers de sa masse moléculaire est composée par des hydrates carbonés. Elle est parfois clivée après l’arginine 379 pour produire une vitronectine en deux chaines ou les deux parties sont liées par des ponts disulfures. La protéine est une association de trois types de domaines : i) un domaine N terminal Somatomedine B (1-39), ii) un domaine central avec une homologie hemopexine (protéine qui lie l’hème libre dérivé de l’hémoglobine en protégeant l’organisme du stress oxydatif) (131-342) et un domaine terminal C (347-459) qui contient aussi une homologie hemopexine. A l’exception du domaine N terminal, aucune structure à haute résolution n’a été élucidée. Deux groupes ont présenté dans la littérature des investigations spectroscopiques RMN

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(information sur la structure et la dynamique des protéines) (Kamikubo Y et al., 2004; Mayasundari A et al., 2004). Elle stimule l’adhérence, la migration ou la prolifération de nombreuses cellules (Schvartz et al, 1999), et favorise notamment l’adhérence (Grzesik et Robey, 1994) et la différenciation (Salasznyk et al, 2004) des ostéoblastes. Reconnue par le récepteur principal des ostéoclastes, l’intégrine αVβ3 (Helfrich et al, 1992), elle pourrait également participer, avec l’ostéopontine, à leur ancrage à la matrice.

Figure 15: La vitronectine : structure modulaire.