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Annaba Novembre 2019
Résumé / Abstract : L’hydroxyapatite (HA) Ca10 (PO4) 6 (OH)
2est élément major dans le corps humain, dans notre travail on a fait une élaboration du ce biomatériau avec la variation de six facteur nécessaire a la fabrication de ce dernier et ce la selon un plan d’expérience Plackett-Burman et ainsi on a calculé le ren- dement de la réaction on se basant sur un model mathématique avec l’utilisation du minitab14. Les paramètres qui ont été suivi sont : le rapport molaire Ca/P, le temps de la réaction, la vitesse d’agitation, le débit d’ajout des phosphates, la température de la réaction et la température de calcination du produit final. Ainsi, à la fin du processus, les produits solides susceptibles qui sont obte- nus sont CaCl2, 2H2O, Na2HP04, 12H2O et Ca3 (PO4) 2, les autres NaCl et HCl sont éliminés avec l'eau de rinçage.
Les résultats obtenus montrent que le paramètre rapport Ca/P semble être le plus important et que le produit obtenu est un mé- lange de phosphate tricalcique avec les réactifs initiaux de la ré- action à savoir le chlorure de calcium hydraté et le di-sodium hy- drogénophosphate hydraté. Cela fait en tout un mélange d’hydroxyapatite, de phosphate tricalcique et aussi des produits de départ, le chlorure de calcium et le sel de phosphate les deux hydratés.
Mots clefs : hydroxyapatite, plan d’expérience, élaboration, Plackett-Burman, biomatériau
Introduction
Les apatites constituent une famille de minéraux définie par la formule chimique Me10(XO4)Y2 ou Me est un cation bi- valent (Ca2+, Pb2+, Cd2+, etc), XO4 un anion trivalent (PO43-, VO43-, AsO43-, ect) et Y un anion monovalent (OH-, Cl-, F-, etc). Les apatites cristallisent généralement dans le système hexagonal [1,2].
Les Phosphate de calcium apatite de nombreuses conditions chimique ils peuvent apparaitre sous forme d’hydrates, d’hydroxydes ou d’anhydrides. Suivant le rapport molaire Ca/P on distingue différents type de phosphate de calcium [3].
2. L’hydroxyapatite
L’hydroxyapatite consiste la phase minérale majoritaire des os. Les apatites biologiques qui contiennent les phases mi- nérales des tissus calcifies. Différents des hydroxyapatite synthétique en composition stœchiométrique, cristallinité et en propriété physique et mécanique [4].
Les HAp sont des constituants minéraux principaux de l’os, possèdent de très bonnes propriétés de biocompatibilité et notamment des propriétés d’adsorption spécifique des cel- lules ou de protéines [5,6]. Elles sont donc utilisées fré- quemment dans le domaine de la médecine et de la pharma- cie. Les HAp servent par exemple de matériaux de substitu- tion pour le remplacement ou la régénération de tissus ma- lades ou endommagés. Par couplage d’une HAp à un poly- mère il est possible de crées des implants composites céra- mique-polymère bioactifs et mieux tolérés par l’organisme [7]. On trouve quelques exemples d’utilisation en tant que ciment employé dans la chirurgie faciale afin de remplacer les greffes osseuses autogènes [8] et un nombre croissant
d’applications en tant que vecteur de médicaments grâce à une structure présentant des micropores interconnectés [9].
3. Résultats et discussion
Selon le plan d’expérience de plackett-Burman qui est un plan de criblage de premier derge, les paramètres doivent être utilisés dans un intervalle de deux niveaux minimal et maximal et qui sont choisi après une étude bibliographique et des essais préliminaires.
Les six paramètres et leurs niveaux sont regroupés dans le tableau suivant.
N° Paramètre Unité
Niveaux
Min (-1) Max(+1)
1 Température C° 80 100
2 Calcination C° 900 1200
3 Vagi Tours/min 100 300
4 Débit Ml/min 5 10
5 Temps min 30 60
6 Ca/P 1,67 2
Tableau 1 Les six paramètres et leurs niveaux
3.1. Diagramme de Pareto des effets sur la masse finale Le digramme de Pareto des effets est un moyen pour identi- fier les facteurs les plus importants. D’après la figure(1), on peut constater que les facteurs les plus importants sont le rapport molaire Ca/P et le temps de contact. Le débit, la vi- tesse d’agitation, la température de calcination et la tempé- rature de milieu réactionnel sont les facteurs moins impor- tants.
Terme
Effet standard
T Calcin VA Débit temps Ca/P
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
Fig.1 Diagramme de Pareto des effets sur la masse finale
3.2. Diagramme des effets principaux des facteurs sur la masse finale
Modélisation de l’élaboration d’un biomatériau (hydroxyapatite)
L. BAHLOUL, A. AZZI, S.BOUYEGH ,H.MARADI
Research Center in Industrial Technologies (CRTI),P.O. Box 64 Cheraga, ALGERIA lyndabahloul@yahoo.fr
l.bahloul@crti.dz
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Le diagramme des effets principaux est le plus utile quand il y a plusieurs facteurs, nous pouvons déduire l’influence de tous ces facteurs. Les effets peuvent être positifs ou né- gatifs.
D’après la figure (2), on peut remarquer que les facteurs qui ont un effet positifs sur la masse finale sont le rapport mo- laire Ca/P et le temps de la réaction. L’effet de débit est faible et positif. L’effet positif sur la réponse signifie que l’augmentation de ces facteurs implique l’augmentation de la masse finale. Les effets ayant un effet faible et négatif sur la masse sont les suivants : la température, la calcination et la vitesse d’agitation
Masse
100 80 10,50 10,25 10,00 9,75 9,50
1200
900 100 300
10 5 10,50 10,25 10,00 9,75 9,50
60
30 1,67 2,00
T Calcin VA
Débit temps Ca/P
Main Effects Plot (data means) for Masse
Fig.2 Diagramme des effets principaux sur la masse finale 4. Densité et porosité
La densité et la porosité ont été mesurées sur un pycno- mètre à hélium Micromeritics The AccuPyc II 1340 Gas Pycnometer, qui permet de déterminer la densité réelle d’une poudre ou d’un matériau massif d’après la mesure de son volume, Lors de l’essai, la variation de la pression mène à calculer le volume de l’échantillon à partir de la loi de Mariotte (eq. 1) :
Le calcul du volume de l’échantillon, étant préalablement pesé, donne accès à la valeur de la densité. Avec la densité mesurée par l’AccuPyc incluse dans les paramètres de con-
figuration pour la densité de l’enveloppe, le GeoPyc calcule et rapporte le pourcentage de porosité de notre poudre.
Nous avons réalisé une étude comparative entre deux poudres élaborées d’hydroxyapatite HA, pour deux temps d’agitation 72 heures et une heure. Afin de minimiser la du- rée de synthèse, nous avons essayé de compenser l’énergie mécanique de l’agitation par un apport de chaleur, en réali- sant la double décomposition à 80°C avec une agitation pendant une heure.
En ce qui concerne les mesures de la densité et de la porosi- té, les résultats obtenus sont regroupées dans les tableaux 2 et 3. La densité théorique de l’hydroxyapatite est de 3,16 g/cm3 [10], tandis que la densité mesurée de l’échantillon de la poudre de 72 heures est de l’ordre de 3,26 g/cm3 ; une densité supérieure à la densité théorique, qui ne peut être expliquée que par l’existence des impuretés plus dense dans l’échantillon testé.
En revanche, la densité de la poudre agitée pendant une heure est de l’ordre de 2,5 g/cm3, l’infériorité de cette va- leur par rapport à la densité théorique du HA, est due à la présence de la phase β-TCP, qui est moins dense.
Cycle Volume (cm3)
Densi- té (g/cm3 )
Tempé- rature (°C)
Porosité (%)
1 0,2808 3,2602 19,83 69,33
2 0,2805 3,2638 19,96 69,39
3 0,2807 3,2613 19,99 69,34
4 0,2803 3,2657 20,08 69,38
5 0,2808 3,2605 20,11 69,33
6 0,2805 3,2640 20,19 69,36
7 0,2811 3,2571 20,26 69,30
8 0,2806 3,2632 20,31 69,36
9 0,2803 3,2658 20,38 69,38
10 0,2811 3,2571 20,44 69,30
Moyenne 0,28067 3,2618 7
20,155 69,347 Tableau 2 Cycle de mesure de la densité et la porosité du l’hydroxyapatite élaborée à 01h de temps d’agitation
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Annaba Novembre 2019 Cycle Volume
(cm3)
Densité (g/cm3)
Température (°C)
Porosité (%)
1 0,1977 2,5860 20,98 61,33
2 0,1975 2,5892 21,01 61,38
3 0,1974 2,5905 21,06 61,40
4 0,1970 2,5949 21,11 61,46
5 0,1970 2,5950 21,17 61,46
6 0,1971 2,5938 21,20 61,45
7 0,1973 2,5917 21,25 61,42
8 0,1967 2,5991 21,27 61,53
9 0,1971 2,5944 21,33 61,46
10 0,1968 2,5979 21,36 61,51
Moyenne 0,1971 2,5932 21,174 61,44
Tableau 3 Cycles de mesure de la densité et la porosité du l’hydroxyapatite élaborée à 72h de temps d’agitation
5. conclusion
Il est possible de préparer un biomatériau( hydroxyapa- tite) capable préserver l’intégrité et le confort de vie des personnes souffrant de déficiences fonctionnelles graves, réparation des lésions tissulaires dont les propriétés archi- tecturales, proches de celles de l’os, par une méthode de la double décomposition en se basant sur le carbonate de cal- cium comme matière première. Nous avons étudié les effets des six paramètres opératoires sur les caractéristiques du produit et sur le rendement de la réaction selon l’application d’un plan d’expérience, celui de Plackett-Burman. Les ren- dements sont calculés à partir de la masse du produit final et les caractéristiques sont déterminées par différentes tech- niques telle que spectroscopie IR, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage. Les résultats obtenus montrent que le paramètre rapport Ca/P semble être le plus important et que le produit obtenu est un mélange de phosphate tricalcique avec les réactifs initiaux de la réac- tion à savoir le chlorure de calcium hydraté et le di-sodium hydrogénophosphate hydraté.
Le temps d’agitation joue un rôle majeur dans la formation de l’hydroxyapatite lors de sa synthèse par voie humide.
Les résultats ont montré que l’agitation pendant une heure n’est pas suffisante pour une conversion complète des réac- tifs, d’une part. D’une autre part, elle peut provoquer l’apparition de la phase β-TCP.
Cependant le temps d’agitation d’une une heure favorise une porosité meilleure. Pour l’élaboration d’un produit avec des propriétés voulues.
Références
[1] S.F.Hulbert et al. History of bioceramics ; Ceramics International, Vo- lume 8 , Issue 4, October-December 1982.
[2] M.Mehmel, Uber die struktur dis Apatits (On the structure of apatite), Z fur Kristallographie, 1932, vol.81, p 323-331.
[3]J.C. Elliot, Strucutre and chemistry of the apatite and other calcium orthophosphates Series, 1994, Amsterdam, Elsevier, Editor.
[4] A.Cuneyts Tas, Combution synthesis of calcium phosphate bioceramic powders. Journal of European ceramic society 20 (2000) 2389-2394.
[5] W.F.Zambuzzi, C.V.Ferreira, J.M.Granjeiro and H.Aoyama, J.Biomed.Mater.Res, 97A(2011)193.
[6] T.Motohiro Tagaya and Toshiyuki and Nobutaka Hanagata and Tomohiko Yoshioka and Junzo, Competitive adsorption of fibronectin and albumin on hydroxyapatite nanocrystals, Vol 12, p 034411.
[7] M.Wang, Biomaterials, Developing bioactive composite materials for tissue replacement, 24(2003)2133--2151.
[8] D.W.Lee, J.Y.Kim and D.H.Lew, J.Craniofac.SurgUse of Rapidly Hardening Hydroxyapatite Cement for Facial Contouring Surgery , 21(2010), 1084-1088.
[9] M.H.Hong, D.S.Oh and Y.K.Lee, Bone, Drug release from porous hy- droxyapatite spheres as a synthetic bone-graft material,48(2011)S186.
[10] Njaya Kumar Swain, Processing of Paorous Hydroxyapatite Scaffold, THESIS,National Institute of Technology Rourkela, 2009,45p.
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