Des expériences ont été effectuées sur des HAps de différents rapports Ca/P afin de révéler les différences structurales et de chercher des informations utiles pour expliquer notamment la sur-stœchiométrie. Les échantillons considérés sont : HAp7 (Ca/P=1.71), HAp8 (Ca/P=1.59), et HAp9 (Ca/P=1.77). La HAp8 est un échantillon synthétisé selon le
protocole expérimental de HAp1 alors que la HAp9 a été synthétisée par co-précipitation suivie d’un post-traitement hydrothermal (dans des conditions de préparation différentes de celles de HAp6). Tous ces échantillons ont été traités thermiquement au préalable à 350°C dans un réacteur sous vide selon la procédure décrite dans la section IV-2-4-a de ce chapitre.
Les spectres RMN MAS 1H des HAps étudiées ont tous la même allure que celle reportée dans la littérature (figure I-21). On distingue :
- Un signal fin à -0,1 ppm présent dans chaque échantillon et caractéristique des OH- des colonnes17,41,136, 149,157, 159. Sarah Diallo Garcia97 a pu mettre en évidence l’existence de trois composantes, deux, d’intensités relatives égales, associées aux OH de colonnes présents dans la masse et une relative aux OH des colonnes qui émergent en surface.
- Un signal très large centré à 5,1 ppm attribuée à l’eau physisorbée160,161 et/ou de structure (piégée dans les colonnes le long de l’axe c)44,122,157 et qui peut masquer un large épaulement de faible intensité, associé à la présence des hydrogénophosphates acides122,136,162. Certains157 ont reporté que les molécules d’eau de structure interagissent par liaison hydrogène entre elles et avec des OH des colonnes tandis que l’eau adsorbée est en interaction avec les PO-H de surface ou en coordination avec les ions calcium.
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L’échange de protons qui s’effectue entre les espèces de surface via ce type de liaisons peut contrôler la forme et le déplacement chimique de la bande à 5,1 ppm.
-Un signal fin et bien résolu à 1,1 ppm dont l’origine n’a pas été identifié avec exactitude dans la littérature39,159,162,163. Il est proposé qu’il soit lié à une impureté44 ou à de l’eau « labile », mobile à la surface des HAps41.
Figure I- 21: Spectre RMN MAS 1Hdes HAps traitées thermiquement à 350°C dans un réacteur sous vide
Les spectres obtenus apparaissent globalement similaires à ceux reportés dans la littérature. La figure I-22 illustre la répartition des zones d’un spectre RMN MAS 1H attribuées aux hydroxyles, à l’eau et aux hydrogénophosphates, proposée par Jager et al.41. Le pic attendu des hydrogénophosphates est moins visible que pour la plupart des spectres dans la littérature relatifs à des études réalisées dans le cadre d’applications biologiques (systèmes très sous-stœchiométriques qui comportent une proportion supérieure des HPO4 decœur).
Ainsi, on souligne l’absence d’une contribution supplémentaire bien définie (de type Ca-OH), comme signature spécifique de la sur-stœchiométrie. Néanmoins, des signaux non répertoriés sont observés avec des intensités variables sur tous nos échantillons.
Figure I-22 : (a) Spectre RMN MAS 1H d'hydroxyapatite et (b) répartition des zones proposée par Jager et al. 41
49 Origine du pic à 3,6 ppm ?
En effet on observe un pic à 3,6 ppm dont l’intensité varie d’un échantillon à un autre et s’avère plus intense dans le cas de la HAp8 (Ca/P=1.59), ce qui ne va pas dans le sens d’une origine associée à la sur-stœchiométrie. En fait, le spectre FTIR (figure I-23) de cet échantillon présente une bande supplémentaire à 3748 cm-1 intense qu’on a attribuée à la présence de groupements silanols (SiO-H) au sein de la structure apatitique. L’implication du Si a été confirmée par RMN MAS 29Si (figure non montrée) et par la production majoritaire de l’éthylène (60%), produit par déshydratation de l’éthanol selon la voie acide. Par conséquent, le pic à 3,6 ppm serait associé aux protons des groupements Si-OH. Ce type de substitution est possible dans des milieux de synthèse très basiques (pH=10) qui favorisent la dissolution du verre du réacteur164. On notera que comparativement à ces matériaux, ceux dans le réacteur automatisé ne sont pas contaminés (spectres RMN non montrés)).
Figure I- 23 : Spectre absolu en FTIR de HAp8 traitée thermiquement à 350°C (zone des OH) Origine du pic à 1,1 ppm?
En ce qui concerne le pic à 1,1 ppm, il est également présent quel que soit le rapport Ca/P du matériau. Du fait de l’origine encore mal comprise de cette contribution (eau
moléculaire ou eau labile en surface ?), on a cherché à faire varier le niveau d’hydratation des HAps en modulant la méthode de chauffage.
Pour cela, HAp2 (Ca/P=1.66) et HAp4 (Ca/P=1.77) ont été traitées thermiquement selon une autre procédure de chauffage : la poudre est introduite dans le rotor non fermé, le tout est introduit dans une cellule qui est chauffée à 350°C sous vide ; après retour à température ambiante, la cellule est ouverte et le rotor est rapidement fermé. Les spectres sont présentés dans la figure I-24.
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Figure I-24: (A) Spectres RMN MAS 1Hdes poudres de HAps traitées thermiquement à 350°C sous vide selon les deux procédures de chauffage : traitement de la poudre réalisé directement dans le rotor ou dans un réacteur avec transfert ultérieur de la poudre dans le rotor en tente à gants après retour à température ambiante, et (B) le zoom de la figure (A)
On remarque la disparition des bandes à 5,1ppm et 1,1ppm pour les deux échantillons traités selon la nouvelle procédure du chauffage ce qui ne contredit pas leur attribution à de l’eau physisorbée et à de l’eau mobile en surface respectivement (figure I-24 A). Le pic à 3,6 ppm n’est plus présent (groupements SiO-H en surface qui se déshydroxylent). Ces résultats indiquent que la nouvelle procédure adoptée pour le chauffage est plus efficace pour éliminer les traces d’eau.
Nouveaux pics à 1,4 et 1,8 et 3,1 ppm observés en l’absence d’eau
Cette procédure a permis un examen plus précis de la zone au pied de la contribution des OH de colonnes (figure I-24 B). Il faut souligner que cette zone n’a jamais fait l’objet d’étude dans la littérature, du fait du domaine d’applications (biologie) aucun traitement thermique n’est appliqué avant l’enregistrement des spectres RMN.
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L’élimination du signal de l’eau en surface à 1,1 ppm révèle deux contributions à 1,4 et 1,8 ppm ainsi qu’un signal bien résolu à 3,1 ppm. Là encore, ces signaux sont observés indépendamment de la stœchiométrie.
L’origine de ces nouveaux pics pose question. Correspondent-ils à des espèces protonées localisées dans le cœur ou en surface ? Les contributions à 1,4 et 1,8 ppm sont elles à rapprocher des OH en interaction avec des molécules d’eau physisorbée ou de structure ? Ces points seront discutés dans le chapitre suivant.
Ainsi, on retiendra que l’ensemble de ces caractérisations RMN n’ont pas pu mettre en évidence l’existence de pics spécifiques caractéristiques de la sur-stœchiométrie.