Sophie Martin pour son aide dans l'étude biologique des géopolymères et des carbonates de calcium et nos bons moments lors de nos travaux et Dominique Chauvel-Lebret, grâce à laquelle il a été possible de réaliser l'évaluation de la cytotoxicité des matériaux géopolymères. Le chapitre 5 rassemble les résultats biologiques d'une étude in vivo de biomatériaux synthétiques CaCO3 et de matériaux géopolymères.
Biomatériaux et tissus osseux
Définitions générales sur les biomatériaux
Ces matériaux sont utilisés dans les domaines dentaire et orthopédique (incrustations en chrome-cobalt, ciments polyacryliques, prothèses en carbone vitreux, zircone, alumine dense). Ces matériaux sont ostéointégrés [2], ils se caractérisent par une interface fonctionnelle entre le matériau et le tissu hôte.
Différents biomatériaux de comblement osseux
Parmi les matériaux d'obturation osseuse existants, nous souhaitons citer : les greffons, les céramiques phosphocalciques, le bioglass et les carbonates de calcium. Qu'elles soient d'origine biologique ou synthétique, les céramiques poreuses à base de phosphate de calcium présentent une microporosité (< 5 µm) et une macroporosité (> 100 µm), permettant l'invasion du matériau par des fluides et des cellules biologiques.
Structure et fonction des tissus osseux
Ces coraux présentent des structures poreuses régulières et des propriétés mécaniques proches de l'os spongieux (coraux Porites, Goniopora et Acropora) ou d'une paroi externe compacte rappelant l'architecture et les propriétés mécaniques de l'os compact (Coraux de Favites, de Lobophylia) [2]. Les os longs sont également constitués d'endoste (tissu conjonctif contenant des cellules ostéoprogénitrices et des cellules limitrophes), qui tapisse la cavité centrale.
Histologie de la matrice osseuse
Ces cellules, au potentiel de synthèse et de résorption limité, participent au maintien de la matrice osseuse et de l’homéostasie du calcium sérique. La matrice extracellulaire du tissu osseux est entièrement calcifiée, cette propriété lui confère une opacité aux rayons X et de bonnes propriétés mécaniques.
Le mécanisme de remodelage osseux
De nombreuses hypothèses sur la phase minérale de la matrice osseuse sont liées à la mauvaise cristallinité de cette phase minérale. III Caractéristiques intéressantes de certains éléments chimiques qui composent la partie minérale de la matrice osseuse ou géopolymères.
Calcium, phosphore, magnésium, strontium et zinc : éléments constitutifs de la
99 % du calcium contenu dans l’organisme se retrouve dans la matrice osseuse sous forme de cristaux d’hydroxyapatite. 85 % des ions phosphate se trouvent dans la matrice osseuse, principalement sous forme de cristaux d’hydroxyapatite.
L’aluminium, le silicium et le potassium : composants du géopolymère
Le critère important est alors la quantité et la structure de l'aluminium libéré dans l'organisme lors de la dégradation (par usure, par dissolution ou par processus cellulaires) du biomatériau, puisque c'est cet aluminium qui s'avère toxique lorsqu'il est stocké dans différents tissus. Ici aussi, la structure de l'aluminium est essentielle : les ciments contenant de l'aluminium forment une interface entre os et implant [45,46].
Synthèse et caractérisation physico-chimique de géopolymères
Introduction sur les géopolymères
La figure 2.1 présente quelques exemples de composés de la famille des géopolymères : Si/Al = 1 appelés PolySialate (PS). Dans ce travail nous nous sommes intéressés au GPS (géopolymère à haute teneur en silicate) appelé GPS et caractérisé par sa faible teneur en aluminium : Si/Al = 21.
Synthèse des géopolymères (GPS) et des composites
La figure 2.2 (partie gauche) montre la courbe de répartition en fonction de la taille des particules (changement de volume important. Après mélange intime de la poudre de phosphate de calcium avec le géopolymère, la pâte obtenue est coulée dans des moules (Téflon) qui sont ensuite recouverts.
Morphologie des géopolymères purs et des composites
Etude du pH des géopolymères purs et des composites géopolymères/ phosphates de
III Caractérisation physico-chimique des géopolymères et des composites géopolymère/phosphate de calcium après traitement thermique. Ces points (clairement visibles sur l'image SEM du composite G54HT) ont été identifiés par EDX (les analyses EDX effectuées ne sont pas présentées ici) comme du phosphate de calcium pur.
Caractérisation par DRX
Les diagrammes de diffraction des géopolymères purs présentés dans la figure 2.9 mettent en évidence un halo de diffraction compris entre 15 et 35° (2θ). Le halo est signe de la partie amorphe des composites : la matrice géopolymère et les pics de diffraction correspondent au diffractogramme obtenu pour les phosphates de calcium.
Caractérisation par Transformée de Fourier Infra Rouge
Les figures 2.14 à 2.16 présentent les spectres d'absorption de différentes compositions géopolymère/phosphate de calcium, pour chaque rapport molaire K2O/SiO2. Quel que soit le type de phosphate de calcium ajouté au géopolymère (Ha, TCP ou leur combinaison), les bandes d'absorption observées sont classées en plusieurs catégories.
Etude par RMN du solide des géopolymères purs et des composites
La figure 2.20 présente le spectre expérimental MAS Al RMN obtenu pour le géopolymère pur G54 (caractérisé par le rapport K2O/SiO2 = 0,54), ainsi que le modèle mettant en avant trois contributions qui sont, par ordre d'abondance. L’étude MAS RMN du phosphore sur les composites n’a montré aucun changement significatif dans l’environnement par rapport aux phosphates purs.
Discussion
Ces protons sont apportés par les phosphates de calcium introduits dans la matrice géopolymère. Ces résultats ont été vérifiés pour les autres types de phosphates de calcium ajoutés (HA et TCP seuls). L'étude RMN a révélé les mêmes groupes Si et Al pour les composites et les géopolymères purs, confirmant l'observation selon laquelle les phosphates de calcium jouent exclusivement un rôle de charge.
Les valeurs de pH des composites sont très proches de celles mesurées pour les géopolymères purs. Les spectres RMN du proton MAS mettent en évidence les mêmes groupes que les géopolymères purs.
Détermination des conditions de traitement thermique
Caractérisation de la structure des géopolymères et composites en fonction du traitement thermique : étude par FTIR. Le modèle (représenté sur la même figure) se présente comme la somme de quatre contributions (Q2, Q3, Q4-3 et Q4-4) déjà observées pour le matériau avant traitement thermique (figure 2.46). La figure 2.70 montre trois spectres obtenus pour le composite G54HT en fonction du traitement thermique.
Les spectres obtenus pour les composites après traitement thermique sont très proches de ceux des géopolymères purs aux mêmes températures.
Géopolymères et composites après traitement thermique
Mesure du pourcentage de porosité et morphologie des échantillons
Après avoir été traités à 500°C, les géopolymères purs ont un pourcentage de porosité plus élevé que les composites (figure 3.2). L'augmentation de la température du traitement thermique est associée à une augmentation des pourcentages de porosité, quel que soit le rapport K2O/SiO2. Comme dans le cas de l'étude après traitement thermique à 250°C, les composites présentent des pourcentages de porosité plus faibles que ceux des géopolymères purs.
Comme pour les géopolymères purs, les pourcentages de porosité des composites augmentent avec l'augmentation du rapport K2O/SiO2. Le traitement à une température de 500°C a augmenté le pourcentage de porosité des géopolymères et des composites purs en favorisant la formation de pores d'environ 100 μm.
Mesure de la contrainte maximale à la rupture en compression
Influence des paramètres de synthèse sur le pourcentage de porosité et sur la
Les figures 3.11 à 3.13 représentent les valeurs de contraintes maximales à la rupture des géopolymères purs et de leurs compositions associées, en fonction du traitement thermique, pour chaque rapport K2O/SiO2. Pour les composites, l'augmentation de la température du traitement thermique tend à augmenter les valeurs moyennes de contrainte à la rupture en compression. Les valeurs de contrainte à la rupture des échantillons sélectionnés pour l'étude sont résumées dans le tableau 3-1.
La courbe résiduelle reflète l'écart entre les valeurs expérimentales et les valeurs calculées, en fonction des valeurs expérimentales. Tant pour le pourcentage de porosité que pour la contrainte de rupture, la différence entre les valeurs expérimentales et calculées est inférieure à l'incertitude de la mesure.
Discussion
Choix des matériaux à analyser
Libération possible d'aluminium, de calcium et de phosphore des matériaux. Toxicité cellulaire des matériaux (tests MTT et SEM).
Analyse des matériaux immergés dans une solution SBF
Le pH des solutions SBF a été mesuré pour chaque temps d'immersion de l'échantillon. Après 2 heures d'immersion l'intensité est maximale et n'augmentera pas en fonction du temps d'immersion. Comme c'était le cas pour le géopolymère pur (G54_500), même une immersion courte (2 heures) se caractérise par l'augmentation de l'intensité de la bande d'absorption à 3500 cm-1.
L'étude des spectres de différents composés en fonction du temps d'immersion montre l'apparition d'une bande d'absorption vers 1400 cm-1. Dans la littérature, l’apparition d’une couche d’hydroxyapatite est évidente pour des temps d’immersion inférieurs à 30 jours [7].
Analyse des matériaux en présence de cellules (tests MTT et MEB)
Pour chaque temps de contact entre le matériau et la cellule, le colorant MTT (bromure de diMéthylThiazole diphényltétrazolium) a été ajouté au milieu de culture cellulaire à la concentration de 5 mg/ml. Tous les matériaux étudiés sont présents à la surface et dans les porosités des tapis cellulaires (partie gauche des figures 3.34 et 3.35). Les résultats obtenus par le test MTT pour les matériaux G54_500, G54H_500, G54T_500 et G54HT_500 montrent que la viabilité cellulaire est supérieure à 50% de la viabilité du contrôle négatif après 24 heures de contact.
L'ajout de phosphates de calcium à la matrice géopolymère n'améliore pas significativement les taux de viabilité cellulaire. Cette étude a permis de déterminer les deux échantillons présentant les meilleurs pourcentages de viabilité cellulaire.
Etudes d’implants géopolymères et CaCO 3 synthétique
Principe et Intérêt de la méthode d’analyse PIXE
Application : étude des cinétiques de minéralisation des matériaux CaCO 3
Application : étude des cinétiques de minéralisation des matériaux G54_500 et
12 mois après l'implantation, les concentrations de phosphore et de calcium dans la caractéristique z de l'implant sont proches de celles de la matrice osseuse. Douze mois après l'implantation, les taux de strontium sont proches de 150 µg/g dans la zone caractéristique de l'implant et de la matrice osseuse. 1 mois après l'implantation, la teneur en calcium au niveau de l'implant est la plus proche de la matrice (par rapport aux autres biomatériaux de cette étude) et la teneur en phosphore est quasiment nulle.
3 mois après l'implantation, la teneur en strontium au niveau de l'implant est proche de la teneur caractéristique de la matrice. 6 mois après l'implantation, au niveau de l'implant, la teneur en strontium et en zinc est proche de celle de la matrice. 6 mois après l'implantation, la teneur en calcium et en phosphore au cœur de l'implant est comprise entre les valeurs TCP et celle de la matrice osseuse.
12 mois après l'implantation, le TCP (porosité 45 %) présente dans la zone typique de l'implant des concentrations de phosphore et de calcium proches des concentrations de la matrice osseuse.
Principe et intérêt de la méthode d’Analyse par Activation Neutronique
Etudes biologiques
Préparation des échantillons
Résultats
Discussion
Aspect macroscopique des implants
Etude histologique
Préparation des échantillons
Résultats obtenus par ICP
- Les greffes osseuses
- Les céramiques phosphocalciques
- Les bioverres
- Le carbonate de calcium naturel (corail) et synthétique
- Les cellules de la matrice osseuse
- La matrice extra-cellulaire (MEC)
La réduction du rapport K2O/SiO2 entraîne une diminution globale de la quantité d'AlO4 à 250°C (Figure 2.48). Les échantillons déposés sur le porte-échantillon sont constitués de l'implant au centre et de la matrice osseuse en périphérie. Dans cette zone, la teneur en phosphore est proche de celle de la matrice osseuse.
L'interface entre le biomatériau et l'os évolue régulièrement vers les valeurs de la matrice osseuse. 6 mois après l'implantation, l'implant présente des teneurs en strontium et zinc proches de 50 µg/g et 117 µg/g dans la zone caractéristique de l'implant et de la matrice osseuse. Depuis l’interface, les concentrations de strontium et de zinc augmentent régulièrement pour atteindre les valeurs de la matrice osseuse.
12 mois après l'implantation, la teneur en oligoéléments est proche de celle de la matrice. Profils à 3 et ont donc une teneur en phosphore plus élevée que dans la matrice (pour TCP).
