Dans le domaine des substituts osseux dentaires et orthopédiques, le contrôle de la biodégradabilité et de la bioactivité des biomatériaux est un paramètre clé pour améliorer l'efficacité de la réparation tissulaire. Parmi ces matériaux, les phosphates de calcium amorphes ont attiré l'attention notamment en raison de leurs propriétés physico-chimiques et leur rôle potentiel en tant que précurseurs de l’apatite du minéral osseux. Ce sont des composés hydratés associant des ions calcium et des ions phosphates. Le CIRIMAT a récemment breveté une nouvelle famille de matériaux amorphes hydratés à base d’orthophosphate et de pyrophosphate de calcium que nous appellerons NaPYG-0X0, synthétisés à basse température (70°C) pour des applications de comblement osseux. Récemment, il a été démontré que le rapport ortho/(ortho + pyro) phosphate dans ce matériau peut être contrôlé lors de la synthèse et que la composition de ces matériaux est décrite par la formule chimique suivante :
[(Ca2+y Na+z H+3+x-2y-z)(PO43−)1-x(P2O74−)x](H2O)u
L’objectif de cette thèse est d’étudier les propriétés physico-chimiques et biologiques de ces nouveaux matériaux et de contrôler leur taux de dégradation en fonction du rapport ortho/(ortho + pyro) phosphate ce qui devrait permettre d'adapter la vitesse de résorption in vivo en fonction de l’application visée.
Dans un premier temps, l’influence de certains paramètres de la synthèse ont été adaptés afin d’augmenter la quantité de produit obtenue. Puis, l’évolution de quatre compositions de matériaux NaPYG-0X0, avec différents ratio ortho/(ortho + pyro) phosphate, dont un matériau cristallin composé de 100% de pyrophosphate a été étudiée in vitro à 37°C en immergeant ces matériaux dans différents milieux aqueux de plus en plus complexes (eau ultra-pure acidifiée ou non, simulated body fluid, milieu de culture acellulaire) pouvant partiellement reproduire les différentes étapes de l’implantation d’un substitut osseux. Les compositions de matériaux ont montré une grande stabilité mais ont tous évolué différemment. Les matériaux amorphes contenant le plus de pyrophosphate sont plus stables et ont tendance à rester amorphes, alors que la composition comprenant le plus fort taux d’orthophosphate évolue en apatite nanocristalline analogue au minéral osseux dans quasiment chaque milieu dans lequel il est immergé. De plus, le pyrophosphate est connu pour être hydrolysé par des enzymes présentes dans la membrane des cellules osseuses in vivo. Une étude de l’évolution en présence d’enzymes (phosphatase alcaline) a donc été réalisée et a démontré le rôle majeur de la phosphatase alcaline dans l’évolution de la composition des matériaux NaPYG-0X0 in vitro. Plus le matériau initial comprend de pyrophosphate, plus la différence de dégradation est exacerbée suivant lorsqu’il évolue en présence ou non d’enzymes. Il a aussi été observé que la structure de la canaphite (pyrophosphate de calcium et de sodium hydraté cristallisé) a été complètement modifiée ; elle est devenue amorphe à partir de deux heures d’évolution en présence d’enzymes.
Des études in vitro cellulaire sur des cellules mésenchymateuses humaines et d’implantation in vivo sur un modèle de défaut critique (calvaria de du rat) ont ensuite été menées dans le but de connaître la bioactivité et la biocompatibilité des matériaux NaPYG-0X0 et ont conduit à des résultats prometteurs. Ce projet de thèse fait partie du projet ANR PyVerres (ANR-16-CE19-0013) coordonné par le CIRIMAT en collaboration avec quatre laboratoires français (ICGM, LCMCP, B3OA et BioTis) ainsi qu’une entreprise, aux expertises complémentaires. |
In the field of dental and orthopedic bone substitutes, controlling the biodegradability and bioactivity of biomaterials is a key parameter for improving the efficiency of tissue repair. Among these materials, amorphous calcium phosphates have attracted attention, in particular because of their physicochemical properties and their potential role as precursors of bone mineral apatite. They are hydrated compounds associating calcium ions and phosphate ions. CIRIMAT recently patented a new family of hydrated amorphous materials based on calcium orthophosphate and pyrophosphate, which we will call NaPYG-0X0, synthesized at low temperature (70°C) for bone filling applications. Recently, it has been demonstrated that the ortho / (ortho + pyro) phosphate ratio in this material can be controlled during synthesis and that the composition of these materials is described by the following chemical formula:
[(Ca2+y Na+z H+3+x-2y-z)(PO43−)1-x(P2O74−)x](H2O)u
The aim of this thesis is to study the physico-chemical and biological properties of these new materials and to control their degradation rate as a function of the ortho / (ortho + pyro) phosphate ratio, should make it possible to adapt the rate of resorption in vivo according to the intended application.
Firstly, the influence of certain parameters of the synthesis were adapted in order to increase the amount of product obtained. Then, the evolution of four compositions of NaPYG-0X0 materials, with different ortho / (ortho + pyro) phosphate ratio, of which a crystalline material composed of 100% pyrophosphate was studied in vitro at 37°C. These materials have been immersed in different increasingly complex aqueous media (ultra-pure water, acidified or not, simulated body fluid, cell-free culture medium) that can partially reproduce the different stages of implantation of a bone substitute. The material compositions have shown great stability but have all evolved differently. The amorphous materials containing the most pyrophosphate are more stable and tend to remain amorphous, while the composition comprising the highest level of orthophosphate evolves into nanocrystalline apatite analogous to the bone mineral in almost each medium in which it is immersed. In addition, pyrophosphate is known to be hydrolyzed by enzymes present in the membrane of bone cells in vivo. A study of the evolution in the presence of enzymes (alkaline phosphatase) was therefore carried out and demonstrated the major role of alkaline phosphatase in the evolution of the composition of NaPYG-0X0 materials in vitro. The more pyrophosphate the initial material contains, the more the difference in degradation is exacerbated depending on whether it evolves in the presence or not of enzymes. It was also observed that the structure of canaphite (calcium pyrophosphate and hydrated crystallized sodium) was completely modified; it became amorphous after two hours of evolution in the presence of enzymes.
In vitro cellular studies on human mesenchymal cells and in vivo implantation on a critical defect model (rat calvaria) were then carried out with the aim of determining the bioactivity and biocompatibility of NaPYG-0X0 materials and have led to promising results. This thesis project is part of the ANR PyVerres project (ANR-16-CE19-0013) coordinated by CIRIMAT in collaboration with four French laboratories (ICGM, LCMCP, B3OA and BioTis) as well as a company, with complementary expertise. |