Ce mémoire porte sur l’étude de nouveaux matériaux amorphes mixtes orthophosphate et pyrophosphate de calcium et de sodium qui présentent un intérêt pour des applications en tant que biomatériaux de régénération osseuse du fait de la présence des ions ortho- (briques élémentaires pour la formation d’apatite biologique) et d’ions pyrophosphate (hydrolysables en orthophosphates à pH acide ou par action d’enzymes présentes dans le tissu osseux). Ces matériaux sont élaborés par chimie douce incluant le passage d’une solution à un gel puis à un solide. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’effet de différents paramètres de synthèse en vue de déterminer les mécanismes de formation de ces matériaux originaux et de décrire leur structure. En particulier, nous avons étudié l’effet de la composition de la solution initiale en précurseurs phosphates (différents ratios molaires en ions ortho- et pyrophosphates) et de la température de séchage lors de la dernière étape du protocole d’élaboration sur la composition et la structure du matériau final en mettant en œuvre différentes techniques de caractérisation complémentaires et à différentes échelles (DRX, MEB, MET, spectroscopie Raman, ATG/ATD, RMN du solide, analyses chimiques). Dans un premier temps, nous montrons qu’il est possible de contrôler la composition du matériau final à partir de celle de la composition de la solution initiale de précurseurs phosphates. Les compositions extrêmes étudiées (100% pyro- et 100% ortho-) conduisent à une phase plus ou moins bien cristallisée : la canaphite α et l’apatite nanocristalline, respectivement. En revanche, tous les matériaux élaborés à partir d’une solution de composition intermédiaire (mixte ortho- et pyro-) sont amorphes et leur composition a été déterminée ce qui a permis de proposer une formule chimique générale pour ces matériaux amorphes mixtes ortho et pyrophosphates de calcium et sodium hydratés. Il a été possible de préciser certaines hypothèses, comme l’effet inhibiteur de l’ion pyrophosphate sur la cristallisation de l’orthophosphate de calcium (et vice-versa), qui contrôle la structure du matériau final (amorphe ou cristallin) et ce pour une grande gamme de compositions de matériaux. La caractérisation fine par RMN du solide et par MET ont permis de mettre en évidence une formation de type colloïdale de ces types de matériaux et pouvant s’appuyer sur le modèle de cluster de type Posner. Dans un second temps, nous montrons que la température de séchage, est un paramètre contrôlant l’état d’hydratation de ces matériaux mais aussi la réaction d’hydrolyse interne des ions pyrophosphate en ions orthophosphate au sein du matériau ainsi que la réaction inverse de condensation des ions ortho- en ions pyrophosphate vers 400°C. L’ensemble de ces travaux permet ainsi de préciser les mécanismes physico-chimiques de la formation d’une gamme de compositions de nouveaux matériaux mixtes ortho et pyrophosphate de calcium hydratés amorphes qui permettraient à terme de contrôler leurs propriétés de dégradation in vitro et in vivo et par voie de conséquence conduire à des matériaux de comblement osseux personnalisés. |
The present work concerns the study of new amorphous hydrated calcium and sodium ortho- and pyrophosphate mixed materials, of interest as biomaterials for bone regeneration thanks to the presence of both orthophosphate ions (elementary bricks of biological apatite formation) and pyrophosphate ions (hydrolyzable at low pH or by enzymatic activities in bone tissue). These materials are synthesized using soft chemistry process, including three main steps: solution, gel and solid. The aim of this thesis is to study the effect of various synthesis parameters in order to determine the formation mechanism of these original materials and to describe their structure. We studied in particular the effect of the composition of phosphate precursor initial solution (various ortho- and pyrophosphates molar ratios) and the drying temperature during the last step of the synthesis protocol on the composition and the structure of the final material by using several complementary characterization techniques at various scales (XRD, SEM, TEM, Raman spectroscopy, TGA/DTA, solid-state NMR and chemical analysis). Firstly, we showed that it is possible to control the composition of the final material by the composition of the initial phosphate precursor solution. The extreme compositions (100% pyro- and 100% ortho-) lead to a more or less crystallized phase: α-canaphite and nanocrystalline apatite, respectively. On the other hand, all materials synthesized with an intermediate composition of phosphate precursor solution (mixed ortho- and pyro-) are amorphous and their compositions were determined and a general chemical formula for these amorphous hydrated calcium and sodium ortho- and pyrophosphate mixed materials is proposed. It has been possible to clarify certain hypotheses, such as the inhibitory effect of the pyrophosphate ions on the calcium orthophosphate crystallization (and vice-versa), which control the final structure of the material (amorphous or crystalline) and that for a wide range of material compositions. The solid-state NMR and the TEM results highlight the colloidal formation of these materials possibly based on the Posner cluster model. Then, the drying temperature was demonstrated to be a key parameter to control the hydration state of these materials and the internal hydrolysis reaction of pyrophosphate ions into orthophosphate ions in the final material and also the reverse reaction of condensation of orthophosphate ions into pyrophosphate ions at 400°C. This research work proposed physicochemical mechanisms for the formation of these new amorphous hydrated calcium and sodium ortho- and pyrophosphate mixed materials with a tunable composition. Which may enable to control their in vitro and in vivo degradation properties and ultimately lead to personalized bone filling materials. |