Modélisation et optimisation par la méthodologie des plans d’expériences de la synthèse : De l’hydroxyapatite phosphocalcique, du phosphate tricalcique apatitique, du phosphate de calcium apatitique carbonate

UNIVERSITÉ MOHAMMED V – AGDAL

FACULTÉ DES SCIENCES

Rabat

N° d’ordre : 2326

THÈSE DE DOCTORAT D’ETAT

Présentée par

Ouafae BRITEL

Discipline : Chimie

Spécialité : Chimie Physique

MODELISATION ET OPTIMISATION PAR LA METHODOLOGIE

DES PLANS D’EXPERIENCES DE LA SYNTHESE :

-

DE L’HYDROXYAPATITE PHOSPHOCALCIQUE

-

DU PHOSPHATE TRICALCIQUE APATITIQUE

-

DU PHOSPHATE DE CALCIUM APATITIQUE CARBONATE

Soutenue le 17 Janvier 2007

Devant le jury

Président :

A. ZRINEH : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat

Examinateurs :

H. CHAAIR : Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de Mohammadia K. DIGUA : Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de Mohammadia M. HAMAD : Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat

A. NOUNAH : Professeur à l’Ecole Supérieure de Technologie de Salé

M. OUAMMOU : Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de Mohammadia

H. OUDADESSE : Professeur à la Faculté des Sciences de Rennes B. SALLEK : Professeur à la Faculté des Sciences de Kénitra

Invité :

M. FERHAT : Ancien Professeur à l’Université Mohammed V-Agdal

Faculté des Sciences, 4 Avenue Ibn Battouta, B. P. 1014, RP, Rabat- Maroc Tel : 212 (0) 37 77 18 34/35/38. Fax : 212 (0) 37 77 42 61, http://www.fsr.ac.ma

Avant - Propos

Ce travail a été réalisé au Laboratoire de Chimie Physique Générale de la Faculté des Sciences de Rabat sous la direction de Monsieur le Professeur M .HAMAD en collaboration avec Monsieur le Professeur H .CHAAIR.

Que Monsieur le Professeur M. HAMAD de la Faculté des Sciences de Rabat, trouve ici l’expression de ma profonde et sincère gratitude pour m’avoir accueillie dans ce laboratoire, pour l’intérêt constant qu’il a manifesté pour mes recherches et les conseils éclairés qu’il m’a prodigués pour le développement de ce travail.

Que Monsieur le Professeur H. CHAAIR de la Faculté des Sciences et Techniques de Mohammedia croit à ma reconnaissance pour m’avoir guidée avec patience dans mes recherches, pour le savoir qu’il m’a transmis, pour son soutien permanent et aussi pour son amitié.

Je suis sensible à l’honneur que me fait Monsieur A. ZRINEH, Professeur à la Faculté des Sciences de Rabat, d’assumer la fonction de Président du Jury d’évaluation de cette thèse.

Je tiens à remercier Monsieur M. FERHAT, Professeur à l’Université Mohammed V-Agdal pour le grand honneur qu’il m’a fait en acceptant d’être membre du Jury de cette thèse.

Je remercie vivement Monsieur A. NOUNAH, Professeur à l’Ecole Supérieure de Technologie de Salé et Monsieur M. OUAMMOU,, Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de Mohammedia d’avoir accepté d’être rapporteurs de ce travail ; je leur exprime toute ma reconnaissance.

Mes vifs remerciements s’adressent également à Monsieur K. DIGUA, Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de Mohammedia pour ses discussions fructueuses et sa disponibilité à mon égard et à Monsieur B. SALLEK, Professeur à la Faculté des Sciences de Kénitra, pour son apport scientifique précieux et d’avoir accepté de participer au Jury de cette thèse.

Monsieur H. OUDADESSE, Professeur à la Faculté des Sciences de Rennes a accepté de faire partie du Jury de cette thèse, je lui exprime toute ma gratitude.

Enfin, je souhaite associer à ces remerciements tous ceux qui ont contribué à la réalisation de ce travail, en particulier tous les membres du laboratoire et tous les collègues de la Faculté des Sciences et Techniques de Mohammedia.

SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE……….. 1

CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES PHOSPHATES DE CALCIUM………... 6

I. LES PHOSPHATES DE CALCIUM ……….. 7

II. LES PHOSPHATES DE CALCIUM APATITIQUES………... 8

III. LES APATITES BIOLOGIQUES ……… 8

III.1. Constitution du tissu osseux……… 8

III.1.a. L’os naturel ……….. 9

III.1.b. La dent……….. 10

III.1.c. Le remodelage osseux……… 11

III.2. Composition chimique et structure de la phase minérale du tissu osseux………… 13

IV. DIFFERENTES METHODES DE SYNTHESE DE PHOSPHATE APATITIQUE……… 15

IV.1. Réactions en phase aqueuse………. 15

IV.2. Réactions en phase solide……… 16

IV.3. Réactions en sels fondus………. 16

IV.4. Réactions sol - gel………. 16

IV.5. Réaction liquide / solide : la voie des ciments……… 17

V. STRUCTURE CRISTALLINE DES PHOSPHATES DE CALCIUM DE SYNTHESE A USAGE BIOLOGIQUE………... 17

V.1. L’ hydroxyapatite………. 17

V.1.a. Etude cristallographique……… 18

V.1.b. Substitution de Ca2+ ……… 20

V.1.c. Substitution de PO43-……….... 20

V.2. Le phosphate tricalcique……… 21

V.2.a. Etude cristallographique………. 22

CHAPITRE II : ETUDE DE LA SYNTHESE DE L’HYDROXYAPATITE STŒCHIOMETRIQUE PAR VOIE AQUEUSE……… 24

I. METHODE DE SYNTHESE PAR NEUTRALISATION………... 26

I.1. Présentation de la méthode de synthèse par neutralisation de Ca(OH)2 par H3PO4……… 26

I.2. Etude des produits de synthèse………... 27

I.2.a. Etude par diffraction des rayons X………. 27

I.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge………. 31

I.2.c. Mesure de la surface spécifique……… 34

I.2.d. Conclusion……… 34

I.3. Présentation de la méthode de synthèse par neutralisation de CaCO3 par H3PO4……… 34

I.4. Etude des produits de synthèse……….. 35

I.4.a. Etude par diffraction des rayons X………. 35

I.4.b. Etude par spectroscopie infrarouge………. 38

I.4.c. Conclusion………... 38

II. METHODE DE SYNTHESE PAR DOUBLE DECOMPOSITION……….. 41

II.1. Présentation de la méthode de synthèse par double décomposition à partir de Ca(NO3)2 et (NH4)2HPO4………. 41

II.2. Etude du produit de synthèse………. 41

II.2.a. Etude par diffraction des rayons X………. 41

II.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge………. 42

II.2.c. Conclusion………... 42

II.3. Présentation de la méthode de synthèse par double décomposition à partir de CaCO3 et H3PO4………... 43

II.4.a. Etude par diffraction des rayons X………. 44

II.4.b. Etude par spectroscopie infrarouge………. 46

II.4.c. Mesure de la surface spécifique……….. 47

II.4.d. Microscopie électronique à balayage ………. 47

II.4.e.Conclusion……… 49

CHAPITRE III : ETUDE DE LA SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE APATITIQUE PAR VOIE AQUEUSE……… ……. 50

I. METHODE DE SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE A PARTIR DE Ca(NO3)2 ET (NH4)2HPO4………... ……. 52

I.1. Présentation de la méthode de synthèse………. 52

I.2. Etude du produit de synthèse………. 53

I.2.a. Etude par diffraction des rayons X ………. 53

I.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge……….. 54

II. METHODE DE SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE A PARTIR DE CaCO3 ET H3PO4………..………... 55

II.1. Présentation de la méthode de synthèse……… 55

II.2. Etude du produit de synthèse……… 56

II.2.a. Etude par diffraction des rayons X……… 56

II.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge……… 58

II.2.c. Mesure de surface spécifique………. 59

II.2.d. Microscopie électronique à balayage………. 59

II.2.e. Conclusion……….. 59

CHAPITRE IV : ETUDE DE LA SYNTHESE D’UN PHOSPHATE DE CALCIUM APATITIQUE CARBONATE PAR VOIE HYDROTHERMALE………. 61

I. CONDITIONS EXPERIMENTALES………... 63

I.1. Description du dispositif expérimental……… 63

II. ETUDE DE L’INFLUENCE DES PARAMETRES DE SYNTHESE SUR LA

STOECHIOMETRIE DU PHOSPHATE DE CALCIUM……… 65

II.1.Influence du rapport atomique (Ca/P) initial ………. 65

II.1.a. Etude par diffraction des rayons X………. 66

II.1.b. Etude par spectroscopie infrarouge………. 66

II.2.Influence du temps de séjour………... 69

II.2.a. Etude par diffraction des rayons X………. 69

II.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge………. 69

II.3.Influence de la température de traitement ……….. 72

II.3.a. Etude par diffraction des rayons X………. 72

II.3.b. Etude par spectroscopie infrarouge………. 72

III. ETUDE PAR ANALYSE CHIMIQUE……….. 75

IV. ETUDE PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE………. 75

V. CONCLUSION……… 77

CHAPITRE V : MODELISATION ET OPTIMISATION DE LA SYNTHESE DE L’HYDROXYAPATITE……… 79

I. PRESENTATION DE LA METHODOLOGIE DE L’ETUDE……… 80

I.1. Choix des facteurs, centre d’intérêt, pas de variation et domaine expérimental……. 80

I.1.a. Choix des facteurs………. 80

I.1.b. Centre d’intérêt et pas de variation……….. 81

I.1.c. Domaine expérimental………. 81

I.2. Equation du modèle……… 82

I.3. Construction de la matrice d’expériences ……….. 84

I.4. Construction de la matrice du modèle………. 86

II. RESULTATS EXPERIMENTAUX………...…. 86

III. MODELISATION DE LA REPONSE : RAPPORT MOLAIRE Ca/P DES PRODUITS LAVES……….. 86

III.1. Signification et effets des différents facteurs………...……… 86

III.2. Analyse de la variance………..………… 90

III.3. Equation du modèle………..…… 91

III.4. Validité du modèle………..……. 91

IV. OPTIMISATION ………...……… 93

IV.1.Analyse des courbes d’isoréponse………..………. 93

IV.2. Détermination des conditions optimales……….…………. 97

IV.3. Vérification expérimentale……….. 98

CHAPITRE VI : MODELISATION ET OPTIMISATION DE LA SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE APATITIQUE……….………. 100

I. PRESENTATION DE LA METHODOLOGIE DE L’ETUDE ……….. 101

II. RESULTATS EXPERIMENTAUX………... 104

III. MODELISATION………. ……… 104

IV. OPTIMISATION………... 109

IV.1. Analyse des courbes d’isoréponses………. 109

IV.2. Détermination des conditions optimales………. 115

IV.3.Vérification expérimentale………... 116

CHAPITRE VII : MODELISATION ET OPTIMISATION DE LA SYNTHESE D’UN PHOSPHATE DE CALCIUM APATITIQUE CARBONATE ……… 118

I. PRESENTATION DE LA METHODOLOGIE DE L’ETUDE……… 119

I.1. Facteurs choisis et leur domaine expérimental………. 119

I.2. Matrice d’expériences et équation du modèle……… 120

II. RESULTATS EXPERIMENTAUX……… 123

III. MODELISATION………. 124

IV. OPTIMISATION………... 126

IV.2. Détermination des conditions optimales………. 132

IV.3. Vérification expérimentale……….. 136

CONCLUSION GENERALE……… 138

ANNEXE : METHODES DE CARACTERISATION ET D’ANALYSES………... 142

BIBLIOGRAPHIE………. 148

La méthode des plans d'expériences n'est pas une technique nouvelle. Elle date en fait du début du siècle avec les travaux de FISHER (1925). Les premiers utilisateurs de cette méthode furent des agronomes qui ont vite compris l'intérêt des plans d'expériences et, notamment, la réduction du nombre d'essais lorsqu'on étudie de nombreux paramètres. En effet, les essais en agronomie sont très consommateurs de paramètres, l'étude du rendement d'un blé nécessite la prise en compte du type de terrain, des différents traitements, de l'ensoleillement, etc … De plus, dans ce type d'expérimentation, il faut attendre un an avant de connaître les résultats. Il était donc indispensable de réduire le nombre d'essais sans perdre en précision et d'être capable de planifier d'une façon formelle la campagne d'essais. Mais cette technique est restée relativement confidentielle et n'a pas réussi à pénétrer de façon significative les industries occidentales avant les années soixante dix.

Une des raisons de ce manque d'intérêt des industriels pour cette méthode était probablement l'aspect trop théorique de l'approche proposée. Il a fallu les travaux du Docteur TAGUCHI dans les années soixante au Japon pour que les plans d'expériences pénètrent nos usines. TAGUCHI, avec le pragmatisme qui caractérise les japonais, a su simplifier et clarifier l'utilisation des plans d'expériences. Son apport est considérable et la diffusion à grande échelle de ses travaux aux Etats-Unis date de la fin des années soixante dix. Aujourd'hui, les plans d'expériences représentent un outil indispensable à tout industriel, du plus petit au plus grand, soucieux d'améliorer la qualité de ses produits.

Depuis quelques années, on s’est aperçu que la qualité d’un produit (notion essentielle dans le monde de l’industrie) dépendait principalement de la conception de ce produit ou plus précisément de la connaissance parfaite de cette conception, plutôt que du produit fini lui-même. En effet, connaître parfaitement l’élaboration d’un produit permet de prévoir son évolution au cours du temps en fonction des paramètres influents qu’ils soient internes ou externes.

Or, ces paramètres sont généralement nombreux et difficilement modélisables par les

méthodes classiques de la physique. Le concepteur a donc besoin d’une méthode « expérimentale », « peu coûteuse en expériences », qui lui permettra de mesurer et de

connaître l’influence de tous les paramètres et d’en déduire les plus influents. Ainsi, le plan d’expériences représente l’outil adéquat qui permettra de répondre à l’ensemble de ces questions.

Dans le cas de la synthèse du phosphate de calcium, ce phénomène dépend de plusieurs paramètres à savoir : le pH, la température, la concentration des réactifs, le rapport molaire cation/anion, la durée de maturation, la vitesse d’agitation, etc.… En général, tout phénomène Y dépend de nombreux paramètres xi (x1, x2, x3, x4) appelés facteurs. Afin de connaître l’influence du paramètre x1 sur Y, la logique veut que l’on fixe tous les autres (x2,

x3, x4) et que l’on fasse varier seul x1. Il faudrait effectuer la même opération pour x2, x3 et x4

pour voir leur influence sur le système. Ainsi, si on décide de prendre 3 points expérimentaux par variable étudiée, il faudrait réaliser 34= 81 expériences, ce qui est considérable.

La question à se poser est comment diminuer ce nombre d’expériences de manière intelligente afin d’observer les mêmes effets. Il n’est déjà pas possible de faire moins de 2 points d’études (valeurs minimale et maximale du paramètre) par variable et il semble difficile de rejeter l’influence de certaines variables au hasard (méthode des impasses), sans savoir si cela a de l’importance.

La solution à ce problème est de faire varier l’ensemble des paramètres à la fois. Cette solution apporte plusieurs avantages si elle est appliquée correctement selon les six étapes suivantes :

Etape 1 : L'objectif et sa mesure : - quel est le problème ?

- comment définir clairement l'objectif que l'on veut atteindre ? - par quelles mesures saurons-nous s'il est atteint ?

Etape 2 : Sélection des paramètres, modalités et interactions : - recherche des paramètres influents,

- choix des modalités à donner aux paramètres,

- identification d'éventuelles interactions entre paramètres. Etape 3 : Construction du plan d'expériences :

- choix dans un catalogue d'une table, - adaptation du plan au cas traité, - planification de l'étude,

Etape 4 : Réalisation des essais :

- réalisation de tous les essais prévus, - maîtriser la mesure.

Etape 5 : Modélisation:

- degré de confiance accordé aux résultats, - paramètres et interactions significatifs,

- établissement du modèle pour un seuil de signification. Etape 6 : Optimisation :

- analyse graphique,

- détermination des conditions optimales.

Nous nous proposons dans ce travail d’appliquer cette méthodologie, en suivant les différentes étapes afin de modéliser et d’optimiser la synthèse de l’hydroxyapatite, du phosphate tricalcique apatitique et d’un phosphate de calcium apatitique carbonaté.

Pour ce faire, cette étude s’articule autour de sept chapitres, présentés en deux parties : la première traite de l’étude de la synthèse de chacun des produits précités et la seconde concerne la modélisation et l’optimisation des synthèses correspondantes.

PARTIE I

• CHAPITRE I : Généralités sur les phosphates de calcium,

• CHAPITRE II : Etude de la synthèse de l’hydroxyapatite par voie aqueuse,

• CHAPITRE III : Etude de la synthèse du phosphate tricalcique par voie aqueuse,

• CHAPITRE IV : Etude de la synthèse d’un phosphate de calcium apatitique carbonaté par voie hydrothermale.

PARTIE II

• CHAPITRE V : Modélisation et optimisation de la synthèse de l’hydroxyapatite,

• CHAPITRE VI : Modélisation et optimisation de la synthèse du phosphate tricalcique,

• CHAPITRE VII : Modélisation et optimisation de la synthèse d’un phosphate de calcium apatitique carbonaté.

PARTIE I

ETUDE DE LA SYNTHESE :

- DE L’HYDROXYAPATITE STOECHIOMETRIQUE

- DU PHOSPHATE TRICALCIQUE APATITIQUE

- DU PHOSPHATE DE CALCIUM APATITIQUE

CHAPITRE I

GENERALITES SUR LES PHOSPHATES DE

CALCIUM

I. LES PHOSPHATES DE CALCIUM

Les phosphates de calcium constituent la phase minérale majeure des tissus durs des vertébrés. Dès 1926, De Jong (1), en utilisant la diffraction des rayons X, a montré l’analogie du minéral osseux avec les minéraux de phosphate de calcium possédant une structure apatitique.

Pendant plus de vingt ans, les phosphates de calcium de synthèse, choisis parmi les biomatériaux existants, ont fait l’objet de plusieurs travaux fondamentaux qui ont débouché sur des applications biologiques et cliniques (2-6). Ils sont parmi les plus utilisés en chirurgie osseuse ou dentaire lorsque des apports de matériaux de comblement sont nécessaires (8 -16).

En effet, leurs compositions chimiques sont proches de celle du tissu dur des os et des dents, leurs propriétés de biocompatibilité et de bioactivité les rendent utilisables comme substitut osseux permettant un comblement lors de défaut et une libération de principe actif (17).

Les propriétés de dissolution de ces phosphates de calcium dépendent de leurs caractéristiques physico - chimiques, en particulier le rapport molaire Ca/P (18), de la structure cristallographique et de la surface spécifique. Ainsi, en fonction du rapport molaire Ca/P, nous pouvons définir plusieurs familles d’orthophosphate de calcium.

Tableau I-1 : Différents phosphates de calcium (19).

Symbole Nom Formule Ca/P

TTCP Phosphate tétracalcique Ca4(PO4)2O2 2,00

HAP Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 1,67

β- TCP Phosphate tricalcique anhydre β Ca3(PO4)2 1,50

OCP Phosphate octocalcique Ca8H2(PO4)6,5H2O 1,33

DCPD Phosphate dicalcique dihydraté CaHPO4, 2H2O 1,00

DCPA Phosphate dicalcique anhydre CaH (PO4) 1,00

PPC Pyrophosphate de calcium Ca2P2O7 1,00

MCPM Phosphate monocalcique mono hydraté Ca (H2PO4)2, H2O 0,50

II. LES PHOSPHATES DE CALCIUM APATITIQUES

Parmi ces phosphates de calcium, les apatites constituent une famille de composés ioniques décrite par la formule chimique Me10(XO4)6(Y)2 dans laquelle Me est un métal

bivalent (Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+ ...), XO4 un anion trivalent (PO43-, AsO43-, VO43- ...) et Y un

anion monovalent (F-, Cl-, Br-, I-, OH- ...). Les apatites cristallisent généralement dans le système hexagonal (20-21). Une particularité de cette structure réside dans sa capacité à former des solutions solides et à accepter un grand nombre de substituants anioniques et cationiques (22-25).

Ainsi, les cations bivalents (Me2+) peuvent être remplacés par d'autres cations bivalents, mais également par des cations monovalents (Na+, K+) ou trivalents (La3+, Eu3+, Ga3+ ...) (26-28).

Les anions XO43- peuvent également être substitués par des anions bivalents (CO32-,

SO42-, HPO42- ...) ou tétravalents (SiO44-) ( 24, 25, 29).

Enfin, les groupements Y-, peuvent aussi être substitués par des ions bivalents (CO32-,

O2-, S2- ...) et / ou par des lacunes (29, 30). Les mécanismes de compensation de charges mis en jeu lorsque des ions de valences différentes coexistent sur un même site, impliquent des modifications structurales et la création de lacunes cationiques (sites Me) et / ou anioniques (sites Y). Aucune apatite possédant des lacunes sur les sites XO4 n'a cependant été observée.

III. LES APATITES BIOLOGIQUES

III.1. Constitution du tissu osseux

Le tissu osseux naturel est assimilable à un matériau « composite » constitué de fibres organiques (le collagène) inscrites dans une matrice minérale qui a été identifiée comme étant un phosphate de calcium apatitique poly-substitué (31). La répartition massique des deux phases dans le tissu est variable suivant la partie du corps considérée et a ainsi amené à distinguer deux types de tissus osseux : l’os et la dent. Une autre particularité des tissus osseux réside dans leur aptitude à constamment évoluer au cours de leur existence afin de s’adapter le mieux possible aux contraintes auxquelles ils sont soumis (mécaniques ou autres). Ce phénomène, engendré par l’activité cellulaire, est appelé « remodelage osseux ».

III.1.a. L’os naturel

La composition massique moyenne de l’os naturel est la suivante : 60% de phase minérale, 15% de phase organique et 25% d’eau. La résistance et la légèreté de l’os s’expliquent par son architecture associant deux types de macrostructures osseuses.

Figure I-1 : Coupe longitudinale schématique d'un os long (32).

La résistance aux contraintes mécaniques est assurée par un os dense, appelé os cortical, localisé en surface du tissu (Figure I-1). Ses caractéristiques mécaniques sont données au tableau I-2.

Tableau I-2 : Propriétés mécaniques de l'os cortical, de l'os trabéculaire, de la dentine et de l'émail dentaire.

Résistance à la rupture (MPa) Module d'élasticité (MPa) Compression Tension Flexion Référence Compression Référence

Os cortical 167 122 168 ± 11 (33) 15450 (37) Os trabéculaire 9,1 ± 1,3 (34) 84 ± 14 (34) Dentine 297 (35) 17500 ± 1500 (35) Email 382 ± 4 (36) 81000 ± 3000 (36)

Sa microstructure peut être décrite comme un empilement lamellaire compact d’« unités de construction » appelées ostéons (Figure I-2).

Figure I-2 : Localisation des ostéons dans l'os cortical.

L'ostéon est un canal neurovasculaire dont la paroi est formée de plusieurs couches concentriques de fibres de collagènes sur lesquelles se développent les cristaux d’apatites. Les différentes couches ont une épaisseur comprise entre 3 et 7 µm (39). L’os cortical représente environ 80% de la masse osseuse chez l’adulte, mais, de par sa structure dense et compacte, il n’intervient que très peu dans les échanges métaboliques. Cette deuxième fonction du tissu osseux est assurée par l’os trabéculaire (Figure I-1). Ce dernier occupe la part la plus volumineuse du tissu mais ne représente que 20% de sa masse. Sa structure macroporeuse tridimensionnelle offre une surface d’échange métabolique importante.

III.1.b. La dent

Les dents ont toutes une même structure de base. Outre la pulpe dentaire qui est un tissu mou très innervé et vascularisé, la dent se compose de deux tissus osseux distincts : la dentine et l’émail (Figure I-3).

Figure I-3 : Coupe transversale schématique d'une molaire.

La dentine (ou ivoire) recouvre et protège la pulpe dentaire. Elle se compose en masse de 75% de phase minérale, de 20% de phase organique et de 5% d’eau. C’est le deuxième tissu le plus dur de l’organisme. C’est un tissu mécaniquement isotrope ; son module d’élasticité est comparable à celui de l’os cortical et sa résistance en compression légèrement supérieure (Tableau I-2).

L’émail dentaire recouvre la dentine au niveau de la couronne. C’est un tissu osseux quasiment minéral. Il ne contient que 0,5% en masse de phase organique et 2% d’eau. Il est le tissu le plus dur de l’organisme avec un module d’élasticité et une contrainte à rupture supérieurs à ceux de la dentine.

La microstructure de l’émail dentaire correspond à l’empilement compact de "colonnes" de 3 à 10 µ m de diamètre sur 50 à 150 µm de hauteur constituées de cristallites lamellaires d’apatites. Contrairement à tous les autres tissus osseux, l’émail ne contient pas de collagène et ne se régénère pas une fois endommagé.

III.1.c. Le remodelage osseux

Durant la vie, le tissu osseux subit un remodelage continu. La finalité de ce remodelage est, d’une part, d’assurer la réparation d’infimes dégâts du squelette et, d’autre

part, de contrôler le taux de calcium relargué dans l’organisme par échange métabolique. Le remodelage est dû à l’action couplée de deux cellules osseuses distinctes : les ostéoclastes et les ostéoblastes ; les premières résorbent le tissu et les secondes le reforment. La figure I-4 présente une suite chronologique de schémas retraçant le principe d’action des cellules mises en jeu lors de la résorption et le remplacement d’une unité de remodelage.

Figure I-4 : Principe d'action des cellules osseuses (39).

Au « repos », la surface de l’os est recouverte de cellules dites bordantes de forme allongées et très fines (A) (Figure I-4). Au cours de la phase d’activation (B), des cellules mononucléées, percent le lit de cellules bordantes et se groupent sur une surface minéralisée du tissu. La phase de résorption (C) est caractérisée par l’excavation d’un petit volume de tissu osseux par les ostéoclastes nés de la fusion des cellules mononucléées. Les ostéoclastes sont des cellules polynucléées qui, en libérant des protons, résorbent le tissu minéralisé par dissolution. Après résorption, des cellules mononuclées préparent la surface de la lacune (D) à l’arrivée des ostéoblastes (cellules mononucléées d’environ 30 µm de diamètre). Ces dernières engendrent la formation d'un jeune tissu minéralisé (E). Le processus se poursuit alors jusqu’à ce que l’os jeune ait entièrement comblé la lacune (F).

III.2. Composition chimique et structure de la phase minérale du tissu

osseux

Le tableau I-3 présente les compositions chimiques élémentaires des phases minérales correspondant aux trois tissus osseux présentés précédemment.

Tableau I-3 : Composition chimique (en pourcentages massiques) des phases minérales de l'émail, de la dentine et de l'os (19).

Elément Email Dentine Os

Ca 37,6 40,3 36,6 P 18,3 18,6 17,1 CO2 3,0 4,8 4,8 Na 0,7 0,1 1,0 K 0,05 0,07 0,07 Mg 0,2 1,1 0,6 Sr 0,03 0,04 0,05 Cl 0,4 0,27 0,1 F 0,01 0,07 0,1

Rapport molaire Ca/P 1,59 1,67 1,65

Les données présentées dans le tableau I-3 montrent les nombreux minéraux que contiennent les phases minérales des tissus osseux. Les quatre éléments qui y sont prépondérants sont le calcium, le phosphore (PO43-, HPO42-), le carbone (CO32-) et l'oxygène

(O2-, OH-, PO43-, HPO42-). Les teneurs en sodium, magnésium et chlore varient de manière

importante suivant le tissu considéré. Les autres éléments, tels que le fluor, le strontium et le potassium, font office de traces.

Legros, par des analyses structurales et chimiques de la phase minérale de l'os périostique animal (comparable à l'os cortical) a pu décrire ce dernier par le modèle suivant (32, 40) :

Cette formule correspond à celle d’une apatite phosphocalcique poly-substituée dans laquelle le calcium s’inscrit dans les sites Me de la structure. La non stœchiométrie, illustrée par la présence de lacunes (notées x) sur les sites Me et Y, est engendrée par la poly

substitution des sites XO4 par des espèces de valences différentes. En effet, ces sites sont

occupés à plus de 70% (molaire) par des ions phosphate trivalents ; les 30% restant étant comblés soit par des ions carbonate, soit par des ions hydrogénophosphate, tous deux bivalents. Les sites Y sont également principalement occupés par deux ions de valences différentes : carbonate et hydroxyde.

Cependant, comme le mettent en évidence les données présentées ci-dessus (Tableau I-3), chaque tissu possède sa propre composition chimique et cette dernière peut évoluer au sein d'un même tissu. Il a également été montré que les différentes teneurs ioniques au sein des tissus osseux évoluent avec l'âge du sujet (32). Dès lors, les hétérogénéités microstructurales et chimiques dont font preuve les phases minérales des tissus osseux rendent leur modélisation, et à fortiori, leur synthèse exacte utopique.

Par ailleurs, les possibilités de reconstruction osseuse chez l’homme sont limitées et les pertes de tissu, qu’elles soient involontaires ou conséquence d’une thérapie curatrice, soulèvent le problème de leur comblement. La chirurgie orthopédique recoure alors à la greffe osseuse. Toutefois, les difficultés et les complications de prélèvement liées aux greffes autologues d’une part, et les risques potentiels de transmissions virales soulevés par les allogreffes et xénogreffes animales d’autre part, ont amené à envisager l’implantation de substituts osseux synthétiques d’où la nécessité d’utiliser les phosphates de calcium synthétiques.

IV. DIFFERENTES METHODES DE SYNTHESE DE PHOSPHATE

APATITIQUE

La reproductibilité, la biocompatibilité et l’absence de toxicité constituent les principaux points du cahier des charges que doit remplir un substitut osseux de synthèse. Plusieurs types de biomatériaux répondent à ces contraintes (polymères, métaux, bioverres, céramiques...) et sont aujourd’hui utilisés sous différentes formes en fonction de l’application visée (granules, pièces massives ou ciment pour le comblement osseux, dépôts denses ou poreux pour le scellement de prothèses...).

Les phosphates de calcium suscitent un vif intérêt en tant que substituts osseux grâce à une composition chimique voisine de celle de la phase inorganique du tissu calcifié. Ils forment une famille de composés chimiques de structures et de compositions variables. Ils peuvent apparaître sous différentes formes : hydrates, hydroxydes ou anhydres. Ils sont habituellement décrits par leur rapport molaire Ca/P.

Plusieurs grandes voies de synthèse sont utilisées pour la préparation des apatites : la précipitation par voie aqueuse, la réaction solide - solide (voie sèche), la réaction en sels fondus, le procédé sol – gel et la voie des ciments.

IV.1. Réactions en phase aqueuse

Les synthèses en phase aqueuse se font selon deux procédés différents : la méthode par double décomposition et la méthode par neutralisation. Ces procédés sont actuellement utilisés pour la production industrielle d’apatite (41).

• La méthode par double décomposition (17, 42-46) consiste à ajouter de façon contrôlée une solution du sel de cation Me dans une solution du sel de l’anion XO4. Le

précipité est ensuite lavé et séché. Cette technique permet également d’obtenir des apatites mixtes (contenant deux cations différents) avec une maîtrise du rapport Me1/Me2. Les cations sont introduits simultanément dans le réacteur avec le rapport

Me1/Me2 désiré, cela permet d’éviter une ségrégation lors de la précipitation. Les

principaux inconvénients de cette méthode viennent de sa mise en œuvre qui nécessite beaucoup de matériel et de sa vitesse de synthèse qui est plutôt lente

.

• La méthode par neutralisation consiste à neutraliser une solution de lait de chaux en y ajoutant une solution d’acide phosphorique. Cette réaction permet d’obtenir rapidement de grandes quantités d’hydroxyapatite phosphocalcique avec peu de matériel (42, 47). Il est également possible de synthétiser des fluorapatites.

IV.2. Réactions en phase solide

La synthèse par réaction solide - solide consiste à chauffer un mélange réactionnel, constitué des divers sels des cations et des anions, dans un rapport Me/XO4 égal à 1,67. Ce

mélange doit être parfaitement homogène pour permettre une réaction totale. La synthèse d’une fluorapatite phosphocalcique peut être effectuée, par exemple, à partir de phosphate tricalcique et de fluorure de calcium selon la réaction suivante (48) :

3 Ca3(PO4)2 + CaF2 Ca10(PO4)6F2

Cette réaction s'effectue à 900 °C pendant plusieurs heures. Dans le cas d’une réaction solide/gaz, le gaz provient soit de la sublimation d’un sel solide contenu dans le mélange réactionnel (la synthèse peut alors s’effectuer dans une enceinte fermée), soit par un apport extérieur sous forme d’un balayage du gaz réactif par exemple.

IV.3. Réactions en sels fondus

Cette méthode permet de se rapprocher des conditions de synthèse de certaines apatites naturelles. Des phosphates métalliques à structure apatitique ont ainsi été préparés. On a pu ainsi obtenir des cristaux qui sont le plus souvent mélangés à l’excès de réactifs de départ (49, 50).

IV.4. Réactions sol - gel

Le procédé sol - gel est basé sur la polymérisation de précurseurs organométalliques de type alcoxydes M(OR)n. Après une hydrolyse contrôlée de cet alcoxyde en solution, la

condensation des monomères conduit à des ponts oxo puis à un oxyde organique. La polymérisation progressive de ces précurseurs forme des oligomères puis des polymères en augmentant ainsi la viscosité. Ces solutions polymériques conduisent à des gels qui permettent une mise en forme aisée des matériaux (films denses et transparents, poudres ultra - fines, céramiques, ...) avec de nombreuses applications technologiques (51-53).

IV.5. Réaction liquide / solide : la voie des ciments

Les ciments phosphocalciques sont des ciments hydrauliques minéraux qui font prise grâce à des réactions acido-basiques entre des phosphates de calcium à caractère acide et des phosphates de calcium à caractère basique pour donner une hydroxyapatite phosphocalcique en phase unique (54, 55) .

V. STRUCTURE CRISTALLINE DES PHOSPHATES DE CALCIUM DE

SYNTHESE A USAGE BIOLOGIQUE

V.1. L’hydroxyapatite

Les apatites phosphocalciques qui entrent dans la constitution des tissus calcifiés peuvent être décrites à partir de l'hydroxyapatite.

L'hydroxyapatite stoechiométrique a pour formule chimique : Ca10(PO4)6(OH)2

Elle cristallise dans le système hexagonal selon le groupe d'espace P63/m (3).

La dimension de la maille élémentaire de l'hydroxyapatite est : a = b = 9,432 Å

c = 6,881 Å.

La maille contient 10Ca2+, 6PO43- et 2OH-. Le rapport atomique Ca/P de

l'hydroxyapatite phosphocalcique stœchiométrique est 1,67. Les dix Ca2+ sont définis par Ca (I) ou Ca (II) dépendant de leur environnement. Quatre ions calcium occupent la position de Ca (I) en deux couches situées aux niveaux 0 et 1/2 de la maille. Les six ions restants occupent la position de Ca (II) en deux couches : trois situés aux niveaux 1/4 et trois autres aux niveaux 3/4. Les six ions tétraédriques PO43- se trouvent en deux couches où ils sont

situés aux niveaux 1/4 et 3/4 de la maille. Les deux ions OH- se situent approximativement à la même hauteur que les plans contenant les atomes Ca (II) (1/4 et 3/4). Si nous considérons la structure parallèlement à l'axe c, les ions PO43- constituent des colonnes, liées les unes aux

atome d'oxygène d'une colonne voisine. Les assemblages d'ions PO43- sont sous la forme de

nid d'abeille qui constitue l'armature du réseau et fournit une grande stabilité à la structure de l'apatite. Cet assemblage est parallèle à l'axe c et contient des tunnels ouverts.

V.1.a. Etude cristallographique

Le contenu de l'unité asymétrique, en tenant compte des multiplicités des différentes positions de Wyckoff occupées par les atomes, conduit à un contenu de maille de dix cations calcium, six anions phosphores, deux cations hydrogènes et vingt six anions oxygènes (oxydes). Ceci donne une stœchiométrie en accord avec la formulation Ca10(PO4)6(OH)2. Les

anions phosphores occupent des sites de coordinence quatre, générés par l'arrangement de quatre anions oxygène premiers voisins (Figure I-5). La distance moyenne < dP-0> = 1,467 Å

est inférieure à la somme des rayons ioniques de ces deux éléments Σ RI (P-O) = 1,750 Å. Ceci est conforme aux distances attendues pour l'anion (PO4)3-.

Figure I-5 : Site tétraédrique des anions phosphores (55).

La maille élémentaire de l'hydroxyapatite est représentée sur la figure I-6. La structure peut alors se décrire comme un arrangement d'anions (PO4)3- stabilisé par des cations Ca2+.

Figure I-6 : Maille élémentaire(55) de Ca10(PO4)6(OH)2.

On remarquera la présence des anions (OH-) localisés sur l'axe cristallographique c (Figure I-7).

Figure I-7 : Maille élémentaire(55) de Ca10(PO4)6(OH)2 projection sur le plan (010).

Les tunnels jouent un rôle très important dans les propriétés physico-chimiques des apatites. Du fait de l'existence des tunnels, les apatites peuvent se comporter soit comme des

échangeurs d'ions, soit comme des composés dans lesquels différents ions peuvent se substituer.

Ces substitutions induisent une légère variation du diamètre moyen des tunnels et modifient ainsi les propriétés des apatites. Les différentes apatites dérivent de l'hydroxyapatite par la substitution totale ou partielle des cations et des anions par d'autres cations ou anions ou des lacunes. Toutefois, d'après la formule générale des apatites, les anions XO43- ne peuvent

pas être remplacés par des lacunes. Les différentes possibilités de substitutions sont répertoriées ci-dessous :

Tableau I-4 : Substitution possible dans la maille apatitique(55).

V.1.b. Substitution de Ca

Mg2+ et Na+ sont des ions très abondants dans les tissus biologiques. L'incorporation de Mg2+ dans la structure apatitique est limitée mais elle peut diminuer le paramètre a dans la maille ainsi que le taux de cristallinité. En raison des similitudes de taille atomique entre Ca2+ et Na+, l'incorporation de ce dernier ne change pas les paramètres cristallins. Par contre, la substitution par des carbonates diminue le paramètre a et augmente légèrement le paramètre c de l'apatite.

V.1.c. Substitution de PO

CO 32- conduit à un minéral défini comme apatite de type B qui est la plus importante

dans les apatites biologiques. Elle se produit lors de la préparation des apatites soit par précipitation directe, soit par hydrolyse des autres phosphates de calcium en présence de carbonate. Le taux d'incorporation de carbonate dépend directement de la présence des autres cations. Par exemple, la présence de Na+ augmente le taux de substitution, tandis que Sr2+ le

diminue. Cette substitution diminue la taille et la cristallinité du cristal et augmente donc sa solubilité.

V.1.d. Substitution de OH

Généralement les anions qui se substituent aux ions OH- se disposent dans les tunnels de l'apatite. CO32- peut entrer dans les tunnels des apatites synthétiques préparées à haute

température (1000 °C) ou dans certaines apatites biologiques. Il y a alors augmentation du paramètre a et diminution du paramètre c. La substitution des OH- par F- augmente la stabilité structurale et la cristallinité et diminue donc la solubilité des cristaux d'apatite. Elle peut également diminuer le paramètre a sans changer le paramètre c. Lorsqu'un Cl- entre dans les tunnels, le paramètre a augmente et c diminue fortement.

V.2. Le phosphate tricalcique (TCP)

Le phosphate tricalcique (Ca3(PO4)2) est caractérisé par un rapport atomique Ca/P de

1,5 et existe sous quatre formes :

- la forme α stable entre 1120 et 1470 °C et métastable à température ambiante, la forme α stable au-dessus de 1470 °C,

- la forme β stable en dessous de 1120 °C, et - la forme γ obtenue sous haute pression.

La forme β ne peut pas être directement synthétisée par précipitation en milieux aqueux. Elle est obtenue par chauffage de phosphate de calcium amorphe (ACP) entre 800 et 1000 °C (56, 57).

Le βTCP cristallise dans le système trigonal (repère hexagonal) (groupe spatial R3c) (58);

a = b = 10,439 Å; c = 37,375 Å.

La forme α peut être obtenue par décomposition thermique de l'ACP à une température supérieure à 1200 °C suivie d'une trempe. Il est également possible de synthétiser du βTCP par chauffage d'un mélange intime de solides comme CaHPO4 et CaCO3 à 1000 °C pendant

une heure. Celui-ci porté au-dessus de 1200 °C permet également d'obtenir la forme α. L' α TCP cristallise dans le système monoclinique

V.2.a. Etude cristallographique

Le contenu de l'unité asymétrique, en tenant compte des multiplicités des différentes positions de Wyckoff occupées par les atomes, conduit à une stœchiométrie en accord avec la formulation Ca3(PO4)2. Les anions phosphores occupent des sites de coordinence quatre

générés par l'arrangement de quatre anions oxygène premiers voisins. La distance moyenne < d P - 0> = 1,535 Å est conforme aux distances attendues pour l'anion (PO4)3-.

Figure I- 9 : Maille élémentaire(55) de Ca3(PO4)2.

La présence de βTCP pur n'a pas été observée dans les tissus biologiques. Par contre, la structure du phosphate tricalcique est telle qu'il peut se produire des substitutions d'ions Ca2+ par d'autres ions bivalents tel que Mg2+ (59, 60). Ces substitutions stabilisent la structure cristalline du βTCP et entraînent une diminution des paramètres a et c de la maille élémentaire. La plupart des phosphates tricalciques rencontrés dans les milieux biologiques sont ceux substitués en magnésium, ils sont alors appelés whitlockite (βTCMP) et ont été observés dans de nombreuses calcifications pathologiques et dans les caries arrêtées de la dentine.

CHAPITRE II

ETUDE DE LA SYNTHESE DE L’HYDROXYAPATITE

STŒCHIOMETRIQUE PAR VOIE AQUEUSE

Ce chapitre sera consacré à la description détaillée de la synthèse par voie aqueuse de l’hydroxyapatite phosphocalcique à partir du carbonate de calcium CaCO3 et l’acide

phosphorique H3PO4.

C'est Patat en 1976 (61) qui, en étudiant les architectures poreuses capables d'être colonisées par le tissu osseux, découvrit les possibilités d'utilisation du corail naturel comme substitut de greffons osseux. Le corail est composé pour plus de 97 % de carbonate de calcium sous sa forme cristalline d'aragonite et d'une fraction réduite d'oligo-éléments et d'acides aminés.

En collaboration avec Guillemin (62, 63), il effectua les premières études expérimentales sur ce biomatériau. Mais ces expériences, ont montré un certain rejet du corail par les patients ; ce matériau d’origine naturelle comporte des traces de vie, des protéines, qu’il faut éliminer, et une mauvaise purification peut entraîner des réactions inflammatoires.

L’équipe « BIOMATERIAUX » de l’Université de Rennes 1, composée de physico- chimistes et de biologistes a mis au point des matériaux synthétiques tel que le carbonate de calcium CaCO3 sous forme d'aragonite, pure ou dopée (64) , comme remplacement du corail

naturel, pour des applications en chirurgie orthopédique ou maxillo-faciale. L’évaluation de la cytotoxicité de matériaux à base d’aragonite synthétique CaCO3 pure ou dopée au strontium

n’a mis en évidence aucun potentiel cytotoxique pour ces matériaux (65).

C’est pour ces propriétés biologiques, sa disponibilité et son coût modéré que nous avons utilisé le carbonate de calcium CaCO3 commercial pour la synthèse de l’hydroxyapatite

phosphocalcique stoechiométrique de rapport molaire Ca/P = 1,67.

Rappelons que plusieurs grandes voies de synthèse sont utilisées pour la préparation des apatites : la précipitation en voie aqueuse, la réaction solide - solide, la réaction en sels fondus, le procédé sol – gel et la voie des ciments.(voir chapitre I)

Les synthèses en phase aqueuse se font selon deux procédés différents : la méthode par neutralisation et la méthode par double décomposition. Ces procédés sont actuellement utilisés pour la production industrielle d’apatite (41).

- La première dite de neutralisation, consiste à neutraliser une solution de lait de chaux en y ajoutant une solution d’acide phosphorique.

- La seconde dite de double décomposition consiste à ajouter de façon contrôlée une solution du sel de cation Me dans une solution du sel de l’anion XO4.

I. METHODE DE SYNTHESE PAR NEUTRALISATION

Cette méthode de synthèse a été mise en œuvre par Wallayes (48) et améliorée par Trombe (42). Récemment d’autres auteurs s’intéressent à ce type de réaction à partir de l’acide phosphorique et l’hydroxyde de calcium (47,66). En effet, Ca(OH)2 présente des caractéristiques

convenables pour la mise au point d’une telle synthèse en particulier pour sa basicité. Son attaque par l’acide conduit à la libération des ions OH- en solution induisant ainsi la basicité nécessaire au milieu réactionnel.

I.1. Présentation de la méthode de synthèse par neutralisation de

Ca(OH)

par H

PO

Cette méthode de synthèse de l’hydroxyapatite consiste à neutraliser rapidement, en présence de quelques gouttes de phenolphtaleine servant d’indicateur de fin de réaction une solution aqueuse de calcium par une solution aqueuse de phosphate.

- La solution aqueuse de calcium (0,1 M) est préparée à partir de carbonate de calcium calciné au moufle à 900 °C et mis en suspension rapidement dans l’eau distillée.

- La solution aqueuse de phosphate (0,06 M) est préparée par dilution de l’acide phosphorique concentré dans de l’eau distillée.

La réaction mise en jeu est la suivante :

10 Ca(OH)2 + 6 H3PO4 Ca10(PO4)6(OH)2 + 18 H2O

La suspension ainsi obtenue est maintenue sous agitation puis portée à la température d’étude désirée. La neutralisation est achevée lorsque la coloration rose de l’indicateur coloré reste stable pendant une demi-heure.

Cette synthèse a été réalisée à deux températures différentes : à la température ambiante (expérience A) et à la température d’ébullition de la suspension (expérience B).

Le précipité obtenu est alors séparé de la solution par filtration, lavé à l’eau chaude puis une partie est séchée à 80 °C pendant une nuit, l’autre partie est calcinée à 900 °C pendant deux heures.

La caractérisation par diffraction des rayons X, spectroscopie d’absorption infrarouge, analyse chimique et la mesure des surfaces spécifiques a été réalisée sur les échantillons lavés, séchés à 80 °C et également sur les échantillons lavés, calcinés à 900 °C.

I.2. Etude des produits de synthèse

I.2.a. Etude par diffraction des rayons X

Le diagramme des rayons X du produit précipité à la température ambiante et séché à 80 °C (A1) présente des raies larges et diffuses correspondant à une hydroxyapatite mal

cristallisée. D’autre part, le diagramme des rayons X du même produit après calcination à l’air pendant deux heures (A2) montre des raies fines correspondantes à deux phases que nous

avons identifiées à l’hydroxyapatite et au phosphate tricalcique β (Figure II-1).

L’étude par diffraction des rayons X (Figure II-2) du produit synthétisé à la température d’ébullition puis séché à 80 °C (B1) montre sur le diagramme la présence de raies

larges caractéristiques de la structure apatitique. Par ailleurs, l’étude par diffraction des rayons X du même produit mais calciné à 900 °C à l’air pendant deux heures (B2) indique la

présence d’une phase unique identifiée à l’hydroxyapatite. En effet, les distances interréticulaires relevées sur le diagramme sont comparables à celles indiquées dans le tableau II-1. Les valeurs des paramètres cristallographiques a et c calculées sont identiques à celles données par la littérature.

a = 9,421 Å

c = 6,880 Å

La calcination de cet échantillon n’indique la présence d’aucune phase supplémentaire à celle de l’hydroxyapatite, telle que le phosphate tricalcique β ou la chaux. Le test à la phénolphtaleïne réalisé immédiatement après calcination, ne montre aucune coloration ce qui justifie l’absence de chaux.

+ + + + + + + +

25

θ

A1 : produit précipité à la température ambiante et séché à 80 °C

A2 : produit précipité à la température ambiante, séché à 80 °C et calciné à

900 °C à l’air pendant deux heures

*

A

A

*

*

*

+ + + + + + + +

25

θ

Figure II-2 : Diagrammes de diffraction des rayons X.

B1 : produit précipité à la température d’ébullition et séché à 80 °C

B2 : produit précipité à la température d’ébullition, séché à 80 °C et calciné à

900 °C à l’air pendant deux heures

B

Tableau II-1: Distances interreticulaires et intensités des raies de diffraction de l’hydroxyapatite phosphocalcique (67). d (Å) I/I0 h k l d (Å) I/I0 h k l 8,168 26 100 1,543 3 240 5,263 7 101 1,532 3 331 4,716 4 110 1,506 3 241 4,084 6 200 1,502 4 124 3,890 10 111 1,475 6 502 3,512 3 201 1,467 2 510 3,440 42 002 1,454 6 304 3,171 9 102 1,451 7 323 3,087 14 210 1,434 6 511 2,817 100 211 1,429 4 332 2,779 43 112 1,407 2 413 2,723 55 300 1,349 2 512 2,631 24 202 1,311 3 431 2,532 4 301 1,315 2 404 2,298 5 212 1,308 2 520 2,265 20 130 1,285 3 521 2,231 2 221 1,280 3 243 2,152 5 131 1,257 4 215 2,063 4 113 1,251 2 342 1,945 24 222 1,245 2 610 1,892 12 132 1,237 5 144 1,873 4 230 1,235 4 513 1,841 26 213 1,222 4 252 1,808 15 321 1,158 3 433 1,782 10 410 1,148 2 244 1,756 11 402 1,146 2 006 1,720 12 004 1,114 3 116 1,645 5 322 1,109 2 235 1,611 3 313 1,105 4 352

I.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge

Le spectre d’absorption du composé (A1) montre la présence de toutes les bandes

principales d’une apatite faiblement hydroxylée, accompagnées de bandes étrangères telles que celles vers 875 cm-1 associés aux ions hydrogénophosphate (HPO42-). La bande large

située entre 1450 et 1500 cm-1de faible intensité est attribuée aux ions carbonate adsorbés à la surface (Figure II-3).

Par ailleurs, la calcination à l’air à 900 °C pendant deux heures de ce même échantillon (A2) révèle qu’il contient une quantité significative du phosphate tricalcique β.

D’autre part, le spectre associé au produit (B1) préparé à la température d’ébullition

lavé et séché à 80 °C montre uniquement la présence de toutes les bandes caractéristiques d’une hydroxyapatite phosphocalcique (Figure II-4). Le spectre du même composé calciné à l’air pendant deux heures à 900 °C (B2) ne décèle aucune bande supplémentaire à celles

caractéristiques d’une hydroxyapatite phosphocalcique pure dont les positions et les attributions des différentes bandes sont regroupées dans le tableau II-2.

Tableau II-2 : Position, intensité et attribution des bandes d’absorption infrarouge de l’hydroxyapatite phosphocalcique.

Position des bandes (cm-1) Intensités des

bandes Attributions 474 f PO43- (ν2 : déformation symétrique) 571 - 601 F PO43- (ν4 : déformation antisymétrique) 630 ep OH- (νL : bande de libration) 962 m PO43- (ν1 : élongation symétrique) 1046 – 1087 F PO43- (ν3 : élongation antisymétrique)

1630 f H2O (déformation des molécules d’eau

liées par des ponts H)

3560 ep OH- (νs : élongation symétrique)

3000 – 3400 m H2O (élongation symétrique des molécules

d’eau liées par des ponts H) F : bande de forte intensité, f : bande de faible intensité, m : bande de moyenne intensité, ep : épaulement.

cm-1

+ + + + + + + +

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

A

A

Figure II-3 : Spectres d’absorption infrarouge.

A1 : produit précipité à la température ambiante et séché à 80 °C

A2 : produit précipité à la température ambiante, séché à 80 °C et calciné à

cm-1

+ + + + + + + +

B

B

Figure II-4 : Spectres d’absorption infrarouge.

B1 : produit précipité à la température d’ébullition et séché à 80 °C

B2 : produit précipité à la température d’ébullition, séché à 80 °C et calciné à

I.2.c. Mesure de la surface spécifique

L’activité catalytique des échantillons A1 et B1 a été mesurée à l’aide de la méthode

B.E.T. sur uniquement les produits lavés et séchés à 80 °C pendant une nuit.

S(A

) = 151,95 m

g

S(B

) = 77,53 m

g

L’analyse de ces résultats montre que les apatites obtenues ont des surfaces spécifiques élevées.

I.2.d. Conclusion

Nous avons préparé par cette méthode une hydroxyapatite phosphocalcique stœchiométrique et stable à 900 °C. Généralement ce type de préparation conduit à une hydroxyapatite mélangée à de la chaux. En effet, la préparation de l’hydroxyapatite stœchiométrique nécessite un contrôle rigoureux des conditions expérimentales, exemple le pH, la température et les quantités de réactifs de base (défaut ou excès en réactif existant dans le milieu).

L’élimination de la chaux peut être faite par la calcination des produits à 1000 °C suivie d’un lavage avec de l’eau chaude. Cette opération (calcination – lavage) doit être répétée plusieurs fois afin d’éliminer totalement la chaux.

I.3. Présentation de la méthode de synthèse par neutralisation de

CaCO

par H

PO

Dans cette partie, nous adoptons, pour préparer une hydroxyapatite, la méthode de neutralisation en utilisant comme réactif le carbonate de calcium et l’acide phosphorique.

Cette méthode est similaire à celle décrite dans la partie précédente, à la seule différence que dans ce cas la neutralisation est réalisée entre une solution aqueuse (0,1M) de carbonate de calcium CaCO3 séché à 100 °C pendant une nuit et une solution aqueuse (0,06

Une fois l’addition terminée, la suspension est maintenue à la température d’étude désirée. La fin de la réaction est marquée par une coloration rose stable pendant une demi-heure de la phénolphtaléïne.

Nous avons réalisé deux synthèses de produits, l’une à température ambiante (C) et l’autre à la température d’ébullition de la solution (D). Les solides formés, ont été filtrés, lavés à l’eau chaude, séchés à 80 °C puis une partie est calcinée à 900 °C pendant deux heures.

La caractérisation par diffraction des rayons X et par spectroscopie infrarouge a été réalisée sur les quatre échantillons.

I.4. Etude des produits de synthèse

I.4.a. Etude par diffraction des rayons X

Le diagramme de diffraction des rayons X du produit précipité à la température ambiante et séché à 80 °C pendant une nuit (C1) présente des raies larges et diffuses

correspondant à celles d’une structure apatitique et des raies fines qui sont identifiées au carbonate de calcium CaCO3 (calcite) (Figure II-5).

La calcination de ce même produit à 900 °C à l’air pendant deux heures (C2) conduit

également à la formation de deux phases qui sont dans ce cas l’hydroxyapatite et de la chaux CaO.

Le diagramme de diffraction des rayons X du produit précipité à la température d’ébullition et séché à 80 °C pendant une nuit (D1) présente des raies mieux définies que dans

le cas du produit (C1). On note également la formation de deux phases qui ont été identifiées

à l’hydroxyapatite et à la calcite CaCO3 (Figure II-6).

La calcination de ce produit à 900 °C à l’air pendant deux heures (D2) révèle la

présence de deux phases qui sont l’hydroxyapatite bien cristallisé et de la chaux sous forme de CaO.

+ + + + + + + +

25

θ

C

C

Figure II-5 : Diagrammes de diffraction des rayons X.

C1 : produit précipité à la température ambiante et séché à 80 °C

C2 : produit précipité à la température ambiante, séché à 80 °C et calciné à

900 °C à l’air pendant deux heures

*

O : présence de CaO

*

+ + + + + + + +

25

θ

D

D

Figure II-6 : Diagrammes de diffraction des rayons X.

D1 : produit précipité à la température d’ébullition et séché à 80 °C

D2 : produit précipité à la température d’ébullition, séché à 80 °C et calciné

à 900 °C à l’air pendant deux heures

*

O : présence de CaO

*

I.4.b. Etude par spectroscopie infrarouge

L’étude par spectroscopie infrarouge des solides lavés et séchés à 80 °C (C1, D1)

pendant une nuit et les solides lavés et séchés puis calcinés à 900 °C à l’air pendant deux heures (C2, D2) confirme l’étude par diffraction des rayons X réalisée sur ces mêmes produits

(Figure II-7, Figure II- 8).

En effet, on note sur les spectres correspondants aux produits C1, D1 les bandes

caractéristiques des ions CO32- dans la calcite et des bandes caractéristiques des ions PO4

3-et HPO42-.

Dans le cas de la caractérisation des produits (C2, D2) , les spectres d’absorption

infrarouge montrent la présence de toutes les bandes d’absorption correspondantes à l’hydroxyapatite et à une phase supplémentaire dont la bande d’absorption est située à 3642 cm-1 attribuée aux ions hydroxyles de la chaux.

I.4.c. Conclusion

La neutralisation de CaCO3 par H3PO4 aux deux températures d’études à savoir à la

température ambiante et à l’ébullition conduit à la formation d’un mélange de l’hydroxyapatite mal cristallisée et la calcite CaCO3. La calcination de ces produits conduit

également à la formation de deux phases qui ont été identifiées dans ce cas à celle de l’hydroxyapatite bien cristallisée et de la chaux.

+ + + + + + + +

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

C

C

Figure II-7 : Spectres d’absorption infrarouge.

C1 : produit précipité à la température ambiante et séché à 80 °C

C2 : produit précipité à la température ambiante, séché à 80 °C et calciné à

I.4. c. Conclusion

D

D

Figure II-8 : Spectres d’absorption infrarouge.

D1 : produit précipité à la température d’ébullition et séché à 80 °C

D2 : produit précipité à la température d’ébullition, séché à 80 °C et calciné à

900 °C à l’air pendant deux heures

+ + + + + + + +

II. METHODE DE SYNTHESE PAR DOUBLE DECOMPOSITION

II.1. Présentation de la méthode de synthèse par double

décomposition à partir de Ca(NO

)

et (NH

)

HPO

Cette méthode de synthèse permet de préparer l’hydroxyapatite stoechiométrique en effectuant une précipitation lente en milieu basique, entre une solution de nitrate de calcium et une solution d’hydrogénophosphate d’ammonium.

La composition des solutions est choisie à partir des coefficients stoechiométriques correspondant à l’équilibre de l’équation de la réaction : (rapport atomique Ca/P = 10/6).

10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3 + 6H2O

- solution A : 26,4 g de diammonium hydrogéno-phosphate (NH4)2HPO4 dissout

dans 130 ml d’eau désionisée décarbonatée (1,5 M).

- solution B : 78,7 g de nitrate de calcium Ca(NO3)2, 4H2O dissout dans 300 ml

d’eau désionisée (1 M)

La solution A du phosphate additionnée à 150 ml d’ammoniaque est versée au moyen d’une pompe péristaltique dans la solution B de nitrate de calcium portée à l’ébullition et agitée avec une vitesse constante de 400 tr/min. La présence d’ammoniaque en excès est nécessaire pour avoir un milieu basique proche de 9. Une fois l’addition terminée, la préparation est maintenue à l’ébullition et sous agitation environ une heure.

Le précipité est ensuite filtré à chaud sur büchner, lavé avec une solution d’un litre d’eau désionisée contenant 100 ml d’ammoniaque, séché à 80 °C pendant une nuit puis calciné à 900 °C à l’air pendant deux heures.

II.2. Etude du produit de synthèse

II.2.a. Etude par diffraction des rayons X

L’étude du diagramme de diffraction des rayons X du produit préparé (Figure II-9) montre la présence de toutes les raies de diffraction de la phase apatitique bien cristallisée. En effet, les distances interreticulaires et les intensités des raies de diffraction observées sont

identiques aux valeurs des données cristallographiques de l’hydroxyapatite phosphocalcique (fiche A.S.T.M.) regroupées dans le tableau II-1.

Figure II-9 : Diagramme de diffraction des rayons X du produit préparé.

II.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge

Les positions et les intensités des bandes d’absorption relevées du spectre d’absorption infrarouge du phosphate de calcium que nous avons préparé correspondent à celles qui sont rapportées par différents auteurs pour l’hydroxyapatite que nous avons regroupées dans le tableau II-2. En effet, on retrouve sur le spectre donné par la figure II-10, les bandes propres à l’ion OH- situées à 3560 cm-1 et à 633 cm-1 et les bandes attribuables aux groupements PO4

3-situées à 1090-1047 cm-1, 962 cm-1 ,602 cm-1 et 572 cm-1.

II.2.c. Conclusion

La méthode de double décomposition permet de préparer l’hydroxyapatite phosphocalcique pure et stoechiométrique. Afin d’obtenir un meilleur état de cristallisation, il est nécessaire de soumettre l’apatite à une calcination à l’air à 900 °C pendant deux heures. Ce produit est donc préparé pour être utilisé comme produit de référence.

Figure II-10 : Spectre d’absorption infrarouge du produit préparé.

II.3. Présentation de la méthode de synthèse par double

décomposition à partir de CaCO

et H

PO

Afin de valoriser les produits locaux, tels que le carbonate de calcium (calcite) qui possède des propriétés biologiques dans le domaine des biomatériaux et l’acide phosphorique (H3PO4) qui est le dérivé de la première ressource naturelle de Maroc (les phosphates), nous

avons opté pour leur utilisation comme réactifs pour la préparation de l’hydroxyapatite et du phosphate tricalcique apatitique.

Dans ce cas, la synthèse se fait en deux étapes :

La première consiste à la préparation de deux solutions (A et B) qui seront utilisées comme des réactifs.

- la solution A de phosphate est obtenue par la dilution de 13,7 ml d’acide ortho phosphorique pur de densité d = 1,68 et de pourcentage p = 85 % dans 130 ml d’eau distillée et décarbonatée.