Apatites phosphocalciques biologiques et synthetiques

Les processus d’adsorption qui interviennent aux interfaces entre phosphates de calcium et molécules biologiques sont impliqués dans de nombreux domaines. En biologie, ces processus semblent contrôler et réguler les phénomènes de biominéralisation (Glimcher, 1989; Boskey, 1998). En médecine, les phénomènes de surface des apatites phosphocalciques sont à la base de la conception des substituts osseux et des biomatériaux vecteurs de médicaments (Shinto et al., 1992; Aoki 1994; Pham et al., 2002; Barroug et al., 2004; Billon-Chabaud et al., 2008; Zayane, 2010). Les propriétés d’adsorption de ces matériaux sont également d’usage en chimie analytique, notamment dans la séparation et la purification de molécules organiques par chromatographie en phase liquide (Gorbunoff, 1984; Kawazaki, 1991). Ces phénomènes sont aussi observés dans la fabrication de produits pharmaceutiques, de dentifrice, de fertilisants ou de détergents.

Dans les milieux vivants, les phosphates de calcium apatitiques jouent un rôle crucial dans les processus biologiques. Ils constituent la phase minérale des tissus calcifiés (os et dents) et contribuent par conséquent aux fonctions vitales de l’organisme (LeGeros, 1991). Ainsi, ils assurent la rigidité du matériau permettant aux tissus de jouer leurs fonctions de soutien et de protection et sont également impliqués dans le processus de régulation de la teneur en ions minéraux des fluides biologiques (Glimcher, 1992). Ils sont associés, en outre, à diverses macromolécules organiques (collagène et protéines non-collagéniques) de manière à former un composite minéralorganique résistant et autoréparable (Glimcher, 1984; LeGeros, 1991; Boskey, 1998). Le minéral osseux est composé de fines plaquettes d’apatite de taille nanométrique qui se déposent parallèlement aux fibres de collagène (Kuhn et al. 2008). Longtemps assimilé à une hydroxyapatite substituée, le minéral osseux correspond en fait à une apatite carbonatée déficiente en ions calcium et hydroxyde. Sa composition peut varier considérablement selon la nature du tissu, l’âge des individus (Legros, 1984), le régime alimentaire (Grynpas et Rey, 1992) et les maladies (Harrison et al., 1980; Pettifor et al., 1984).

APATITES PHOSPHOCALCIQUES BIOLOGIQUES ET SYNTHETIQUES 

Tissu osseux 

Généralités
L’os est un tissu conjonctif qui constitue avec le cartilage, le squelette. Celui-ci, assure deux grands rôles dans l’organisme. D’une part, il doit, pour assurer ses fonctions mécaniques et protectrices, constituer une structure rigide et mobile sur laquelle repose organes vitaux et autres tissus mous; d’autre part, il participe, en plus de la formation des cellules sanguines, au maintien de l’équilibre phosphocalcique et d’autres espèces qui entrent dans sa composition (Mg2+, Na+ , CO 2− 3 ). Ainsi, il a été établi que les ions carbonate associés à l’os interviennent dans la régulation du pH des liquides biologiques (Legros, 1984). Le tissu osseux est assimilable à un matériau composite constitué principalement de fibres organiques, le collagène, inscrites dans une matrice minérale (Glimcher, 1989; Einhorn, 1996). La répartition massique des deux phases dans le tissu est variable suivant la partie du corps considérée. Ainsi, on peut distinguer deux types de tissus osseux: l’os et la dent.

Os naturel
L’os est considéré comme une association fonctionnelle et biologique de plusieurs tissus. Il est constitué d’une fraction organique (23 % de la masse sèche) et d’une fraction minérale (65 % de la masse sèche) auxquelles s’ajoute la contribution de l’eau (12 %) (LeGeros, 1981).

On distingue deux types d’os :
– Os compact (os cortical ou Haversien): dur et dense, il constitue la coque externe des os et comprend des ostéons. Ces derniers sont des canaux neurovasculaires dont la paroi est formée de plusieurs couches concentriques de fibres de collagènes sur lesquelles se développent les cristaux d’apatites. L’os cortical représente 80 % de la masse osseuse chez l’adulte (surface d’échange de 3,5 m²), mais de part sa structure dense et compacte, il n’intervient que très peu dans les échanges métaboliques.
– Os spongieux (os trabéculaire): résistant aux contraintes de flexion, de traction, de compression et de cisaillement, il s’appuie sur l’os compact auquel il transmet les forces. Il occupe la part la plus volumineuse du tissu mais ne représente que 20% de sa masse, soit une surface d’échange métabolique de 7 m². A l’échelle cellulaire, l’os trabéculaire renferme différents types de cellules responsables du remodelage osseux: ostéoblastes, ostéclastes et ostéocytes.

Dent
Les dents sont constituées essentiellement de deux tissus osseux distincts: l’émail et la dentine (Figure I-2). Ces deux tissus entourent la pulpe dentaire qui est logée dans la chambre pulpaire au niveau de la couronne et dans les canaux radiculaires au niveau des racines. L’émail dentaire recouvre la dentine au niveau de la couronne. C’est le tissu le plus dur de l’organisme, et ne contient que 0,5 % en masse de phase organique et 2 % d’eau. Il offre à la dent ses propriétés mécaniques (dureté) et augmente sa résistance à l’abrasion et aux attaques acides. Contrairement à tous les autres tissus osseux, l’émail ne contient pas de collagène et ne se régénère pas une fois endommagé. La dentine (ou ivoire) est recouverte de la couronne (partie visible de la dent) par l’émail, et au niveau des racines par le cément (tissus d’origine osseuse). 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.

Compositions chimiques et structure 

Phase minérale
La fraction minérale des tissus calcifiés (os et dents) est essentiellement constituée de phosphate et de calcium, associés à des groupements carbonates (Tableau I-1); à ces constituants majeurs s’ajoutent d’autres éléments minéraux importants mais en faible proportion (magnésium, sodium, potassium, chlore, fluor,….) ou à l’état de trace (strontium, plomb, zinc,…) (LeGeros, 1991; Elliott, 1994). Cependant, comme le mettent en évidence les données présentées dans le tableau I-1, chaque tissu possède sa propre composition chimique et celle ci peut évoluer au sein d’un même tissu. Il a également été montré que les différentes teneurs ioniques au sein des tissus osseux évoluent selon l’âge du sujet (Legros, 1984). Le constituant minéral des tissus calcifiés est comparable à une apatite phosphocalcique carbonatée plus au moins lacunaire et mal cristallisée, comparée à l’hydroxyapatite (Legros et al., 1986); si l’on considère uniquement les éléments majeurs, on établit une formule chimique décrivant l’os comme une apatite déficiente de type AB.

Phase organique

L’os contient différentes structures organiques intervenant dans son poids sec déminéralisé. Le collagène de type I y prédomine très nettement, suivi d’une proportion beaucoup plus faible de collagène de type V et de protéines non collagéniques telles les protéoglycanes et les ostéocalcines (Glimcher, 1989; Boskey et al., 1989a). Le collagène de type I comporte deux chaînes α1 et une chaîne α2, de compositions légèrement différentes en acides aminés, organisées en triple hélice. Ces chaînes sont très riches en glycine (environ un tiers), de proline, d’hydroxyproline et d’hydroxylysine (Legros, 1984). Ces acides aminés confèrent une orientation particulière à la chaîne polypeptidique et lui assure sa rigidité. La synthèse du collagène de type I constitue la première étape de la formation du tissu supportant la minéralisation par étapes successives. Les fibres de collagène subissent au niveau de l’os un processus continu de synthèse et de dégradation intervenant dans le cycle de remodelage du tissu.

Remodelage osseux 

Cellules osseuses 

Au niveau cellulaire, l’os contient différents types de cellules: Les ostéoblastes (Figure I-3-a): ce sont des cellules osseuses immatures, responsables de la synthèse d’une substance appelée ostéoide, substance organique qui va ensuite se minéraliser rapidement en emprisonnant les ostéoblastes pour former l’os. Ils sont situés à la surface des travées osseuses et dans les lacunes de résorption de l’os compact. Leur rôle est de synthétiser les éléments de la matrice osseuse et de permettre sa calcification. Les ostéocytes (Figure I-3-b): ce sont des ostéoblastes qui ont été progressivement emprisonnés par la matrice qu’ils ont élaboré. Elles sont enfermées dans une petite cavité, l’ostéoplaste, et communiquent avec les ostéocytes voisins par de fins prolongements cytoplasmiques. Ils détectent les tensions mécaniques au sein de l’os et participent au remodelage osseux. Les ostéoclastes (Figure I-3-c): ce sont des cellules multinucléées issues de monocytes en circulation (type de globule blanc). Ils opèrent à des pH acides (Figure I-3-d), ce qui entraîne d’une part une solubilisation du minéral (résorption osseuse), et d’autre part l’activation d’enzymes lysosomiales qui dégradent la matrice organique.

Cycle du remodelage osseux 

En tant que structure adaptée, adaptable et optimisée, l’architecture osseuse est continuellement régénérée par formation (apposition) et résorption locale d’os: c’est le remodelage osseux. Ces processus de formation et de résorption sont couplés et synchronisés par l’intermédiaire de paquets d’ostéoblastes et d’ostéoclastes couramment appelés unité de remodelage.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I MISE AU POINT BIBLIOGRAPHIQUE
I- APATITES PHOSPHOCALCIQUES BIOLOGIQUES ET SYNTHETIQUES
I-1- Tissu osseux
I-1-1- Généralités
I-1-1-1- Os naturel
I-1-1-2- Dent
I-1-2- Composition chimique et structure
I-1-2-1- Phase minérale
I-1-2-2- Phase organique
I-1-3- Remodelage osseux
I-1-3-1- Cellules osseuses
I-1-3-2- Cycle du remodelage osseux
I-1-4- Biominéralisation
I-1-4-1- Mécanismes
I-1-4-2- Rôle du collagène et protéines non-collagéniques dans le processus de biominéralisation
I-1-4-3- Précurseur de la biominéralisation
I-2- Phosphates de calcium synthétiques
I-2-1- Généralités
I-2-2- Hydroxyapatite (HA)
I-2-3- Apatites non stoechiométriques
I-2-3-1- Apatites Nanocristallines Carbonatées (ANC)
I-2-3-2- Phosphate Octocalcique Apatitique (OCPa)
I-2-3-3- Phosphate Octocalcique Apatitique Carbonaté (OCPa-c)
II- OSTEOPOROSE ET BISPHOSPHONATES
II-1- Ostéoporose
II-1-1- Définition
II-1-2- Traitements médicamenteux
II-2- Bisphosphonates
II-2-1- Historique
II-2-2- Propriétés structurales
II-2-3- Mécanismes d’action
II-2-3-1- Inhibition de minéralisation (Calcification)
II-2-3-2- Résorption osseuse
III- ADSORPTION AUX INTERFACES :CAS DU SOLIDE-LIQUIDE
III-1- Enjeu de l’étude des processus d’adsorption
III-2- Adsorption
III-2-1- Lois d’adsorption
III-2-1-1- Isotherme de Gibbs
III-2-1-2- Isotherme de Langmuir
III-2-1-3- Isotherme de Freundlich
III-2-1-4- Isothermes de Langmuir-Freundlich et Tòth
III-2-1-5- Isotherme BET
III-3- Eude expérimentale d’adsorption
III-3-1- Cinétique d’adsorption
III-3-2- Isothermes d’adsorption
III-3-3- Réversibilité du processus
III-3-4- Paramètres impliqués dans le processus d’adsorption
III-3-4-1- Influence du pH
III-3-4-2- Influence de la force ionique
III-3-4-3- Influence de la teneur en ions minéraux
III-3-4-4- Influence de la température
III-3-4-5- Influence des propriétés physico-chimiques du support
III-3-5- Mécanismes d’adsorption
Chapitre II SYNTHESE ET CARACTERISATION DE PHOSPHATES DE CALCIUM & DE SELS DE RISEDRONATE DE CALCIUM
Partie A SYNTHESE ET CARACTERISATION DE PHOSPHATES DE CALCIUM
I- INTRODUCTION
II- HYDROXYAPATITE STOECHIOMETRIQUE
II-1- Synthèse
II-2- Caractérisation
II-2-1- Diffraction des rayons X
II-2-2- Spectrométrie Infrarouge par Transformée de Fourier (IRTF)
II-2-3- Spectrométrie par diffusion Raman
II-2-4- Spectroscopie RMN de l’état solide
II-2-5- Analyse chimique et surface spécifique
III- APATITES NANOCRISTALLINES CARBONATEES (ANC)
III-1- Synthèse
III-2- Caractérisation
III-2-1- Diffraction des rayons X
III-2-2- Spectrométrie Infrarouge par Transformée de Fourier
III-2-3- Spectrométrie par diffusion Raman
III-2-4- Spectroscopie RMN de l’état solide
III-2-5- Analyse chimique et surface spécifique
IV- PHOSPHATES OCTOCALCIQUES
IV-1- Synthèse
IV-1-1- Phosphate Octocalcique Apatitique (OCPa)
IV-1-2- Phosphate Octocalcique Apatitique Carbonaté (OCPa-c)
IV-2- Caractérisation
IV-2-1- Diffraction des rayons X
IV-2-2- Spectrométrie Infrarouge par Transformée de Fourier
IV-2-3- Spectrométrie par diffusion Raman
IV-2-4- Analyse chimique et surface spécifique
V- CONCLUSION
Partie B ELABORATION ET CARACTERISATION DE SELS DE RISEDRONATE DE CALCIUM
I- INTRODUCTION
II- PREPARATION DES SELS DE RISEDRONATE DE CALCIUM
II-1- Généralités sur le risédronate monosodique
II-1-1- Présentation
II-1-2- Analyses thermo-gravimétriques (ATD/ATG)
II-1-3- Diagramme de spéciation
II-1-4- Spectroscopie UV-Visible
II-2- Synthèse et caractérisation de sels de risédronate de calcium
II-2-1- Synthèse
II-2-2- Caractérisation
II-2-2-1- Diffraction des rayons X
II-2-2-2- Spectrométrie Infrarouge par Transformée de Fourier
II-2-2-3- Spectrométrie par diffusion Raman
II-2-2-4- Spectroscopie RMN de l’état solide
II-2-2-5- Microscopie électronique à balayage (MEB)
II-2-2-6- Analyses chimiques
II-3- Etude complexométrique
II-3-1- Etude par conductimétrie
II-3-2- Caractérisations du précipité obtenu
III- DISCUSSION
IV- CONCLUSION
Chapitre III ADSORPTION DU RISEDRONATE PAR L’HYDROXYAPATITE
I- INTRODUCTION
II- ADSORPTION DU RISEDRONATE PAR L’HYDROXYAPATITE
II-1- Matériaux et méthodes
II-1-1- Protocole expérimental
II-1-2- Adsorbant et adsorbat
II-1-3- Adsorption
II-1-4- Réversibilité
II-1-5- Etude de libération
II-1-6- Analyse chimique
II-2- Résultats
II-2-1- Cinétique d’adsorption
II-2-2- Isotherme d’adsorption
II-2-3- Réversibilité du processus
II-2-4- Libération du risédronate
II-2-5- Influence de la composition chimique du milieu sur l’adsorption
II-2-5-1- Influence du pH
II-2-5-2- Influence des ions phosphate
II-2-5-3- Influence des ions calcium
II-2-6- Influence de l’adsorption sur la composition du milieu
II-2-7- Adsorption du risédronate à partir de solutions concentrées
II-2-7-1- Isotherme d’adsorption
II-2-7-2- Influence de l’adsorption sur la composition du milieu
II-3- Caractérisation du support après adsorption
II-3-1- Conditions expérimentales
II-3-2- Résultats
II-3-2-1- Diffraction des rayons X
II-3-2-2- Spectrométrie infrarouge par transformée de Fourier
II-3-2-3- Spectrométrie par diffusion Raman
II-3-2-4- Spectroscopie RMN de l’état solide
II-3-2-5- Analyse chimique
III- DISCUSSION
IV- CONCLUSION
Chapitre IV ADSORPTION DU RISEDRONATE PAR LES APATITES DE BASSE CRISTALLINITE
I- INTRODUCTION
II- ADSORPTION DU RISEDRONATE PAR LES APATITES NANOCRISTALLINES CARBONATEES
II-1- Matériaux et méthodes
II-1-1- Adsorption
II-1-2- Réversibilité
II-1-3- Analyses chimiques
II-1-4- Caractérisation du support après adsorption
II-1-5- Evolution des supports ANC en présence de risédronate
II-2- Résultats
II-2-1- Cinétique d’adsorption
II-2-2- Isotherme d’adsorption
II-2-3- Réversibilité
II-2-4- Influence de l’adsorption sur la composition du milieu
II-3- Caractérisation du support après adsorption
II-3-1- Diffraction des rayons X
II-3-2- Spectrométrie Infrarouge par Transformée de Fourier
II-3-4- Spectrométrie par diffusion Raman
II-3-5- Spectroscopie RMN de l’état solide
II-3-6- Analyses thermogravimétrique et différentielle
II-3-7- Microscopie électronique à transmission (MET)
II-4- Evolution des supports ANC en présence de risédronate
II-4-1- Résultats
II-4-1-1- Spectrométrie Infrarouge par Transformée de Fourier
II-4-1-2- Spectrométrie par diffusion Raman
III- ADSORPTION DU RISEDRONATE PAR LES APATITES OCTOCALCIQUES
III-1- Matériaux et méthodes
III-1-1- Adsorption
III-2- Résultats
III-2-1- Cinétique d’adsorption
III-2-2- Isotherme d’adsorption
III-2-3- Influence de l’adsorption sur la composition du milieu
III-3- Caractérisation du support après adsorption
III-3-1- Conditions expérimentales
III-3-2- Spectrométrie Infrarouge par Transformée de Fourier
III-3-3- Spectrométrie par diffusion Raman
IV- DISCUSSION
V- INTERACTION PHOSPHATES DE CALCIUM-BISPHOSPHONATES & CONSEQUENCES BIOLOGIQUES
VI- CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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