Apports de la spectroscopie vibrationnelle au suivi de l`évolution de
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Apports de la spectroscopie vibrationnelle au suivi de l’évolution de la couche hydratée dans les apatites phosphocalciques nanocristallines biomimétiques S. Rollin-Martineta,b, O. Marsana, E. Championb, D. Grossina, C. Damiab, F. Rossignolb, C. Combesa, C. Reya et C. Droueta a CIRIMAT Institut Carnot, Université de Toulouse, INPT/CNRS/UPS, ENSIACET, Toulouse, France b SPCTS - Université de Limoges, Centre Européen de la Céramique, Limoges, France e-mail : [email protected] Financé par le projet ANR Blanc NanoBiocer (07-BLAN-0373) Introduction Les apatites phosphocalciques nanocristallines biomimétiques (ANB) sont des composés analogues au minéral osseux et sont envisagées pour l'élaboration de biocéramiques implantables. La présence d’environnement non-apatitique a été mise en évidence dans des études antérieures [1], notamment aux moyens des méthodes de spectroscopies infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), Raman, RMN du phosphore . En effet, les nanocristaux se composent d’un cœur de structure apatite (composé d’ions apatitiques), souvent non-stœchiométrique, entouré par une couche phosphocalcique hydratée. Les nombreuses espèces ioniques dites non-apatitiques (HPO42-, PO43-, Ca2+, …) sont présentes dans la couche hydratée, elles possèdent une forte mobilité ionique, leur permettant d’être échangées avec des ions présents dans les fluides environnants. Le grand atout de la spectroscopie infrarouge (FTIR) est, spécialement dans le domaine de vibration υ4 des ions phosphates, l’accessibilité à des informations détaillées sur les environnements des ions orthophosphates. Dans le cadre de ce travail, l’étude de ce domaine vibrationnel nous aide à suivre l’évolution de la couche hydratée des ANB (en faisant varier un paramètre de la synthèse : le temps de maturation en solution) puis à contrôler sa présence après consolidation des ANB (étudié par SPS). Synthèse et mise en forme des ANB Caracté Caractéristique structurale des cristallites d’ d’ANB[2] Cœur apatitique Section 1 cm Vue de dessus Consolidation SPS – “basse température” 150°C / 100 MPa pendant 13min Sol A : [Ca2+] = 0.3 mol.L-1 Sol B : [PO43-] = 0.6 mol.L-1 Co-précipitation Maturation Filtration Rinçage Lyophilisation Ca2+, Mg2+, Sr3+, HPO42-, CO32-, Protéines Couche hydratée de surface « non apatitique » Mime la structure et la composition du minéral osseux Exprime une forte réactivité de surface grâce aux interactions entre les ions labiles de la couche hydratée et les fluides biologiques (ions, protéines) Biomimétisme Suivi des espèces chimiques par FTIR et microscopie Raman Méthode de dé décomposition mathé mathématique[3] Décomposition mathématique dans la région 800 - 400 cm-1, domaine spectral υ2υ 4PO43- → 8 bandes de vibration Hydroxyapatite stœchiométrique (HA) ANB maturées 1 semaine PO43- apatitiques PO43- apatitiques HPO42- apatitiques Absorbance υLOH- HPO42- non-apatitiques PO43- non-apatitiques υ2PO43- υLOH- 3 bandes υ2PO43- supplé supplémentaires Nombre d’ d’ondes (cm-1) Nombre d’ d’ondes (cm-1) Composition du massif, aprè après consolidation ions OHions HPO42-(ap + non-ap) ions non-apatitiques (HPO42- & PO43-) 10 % 5% Intensité é relative des Intensit bandes FTIR (%) Intensité é relative des Intensit bandes FTIR (%) Composition de la poudre, avant consolidation 40 % 35 % 30 % 25 % 20 % 15 % Temps de maturation 0% 20 min 3h 1j 3 js 5 js 1 sem 3 sem ions non-apatitiques (HPO42- & PO43-) 40 % 35 % 30 % 25 % 20 % 15 % 10 % 5% 0% Après SPS 20 min Pour l’ Pour les ANB faiblement maturé l’ANB maturé maturée 3 semaines maturées → augmentation significative de → HPO42- ap/non-ap en grandes quantités l’hydroxylation → Traces de OHEvolutions des espèces chimiques vérifiées par ATG Quand le temps de maturation → les OH- et les espèces non apatitiques (HPO42- / PO43-) → évolution vers la stœchiométrie de l’HA réduction de la couche hydraté hydratée ⇒ [ions] mobiles 900 950 Shift Raman 1046.5 1077.5 1030.1 904.1 1003.2 υ3 des ions PO43- 1000 1050 (cm-1) 1100 PO43- non-ap 16 PO43-ap FWMH v1 PO4 FWHM (υ1PO43-) 14 0,2 12 10 8 6 4 2 0 0,15 0,1 0,05 0 20 min 3 h 1j 3 js 5 js 1 sem 3 sem Temps de maturation Quand le temps de maturation (étude en cours) → L’étude de la bande vibrationnelle υ1 des ions PO43- renseigne sur l’état de cristallinité du composé : La FWHM de la bande de vibration des PO43- apatitique , cela traduit une amélioration de l’état cristallin → Les espèces non-apatitiques visibles au Raman (ions PO43-) (idem à FTIR) Les domaines spectraux υ2, υ4 des PO43-, et υL des ions OH- sont en cours d’analyse [1] Rey et al., Calcified Tissue Int, 45 (1989) 157-164 3 js 5 js 1 sem Phé Phénomè nomène pendant la consolidation Intensité é relative des bandes Intensit FTIR (%) 850 961,7 cm-1 953.0 953,0 cm-1 apatitiques Intensité é relative de la bande Intensit υ1 Raman (%) 961.7 nonapatitiques 880.4 Intensité é Raman ((u.a u.a)) Intensit PO43- PO43- 18 0,25 FWHM (cm-1) 800 υ1 des ions PO43- 1j Aprè Après consolidation : → Diminution de la proportion de la couche hydratée avec le temps de maturation, mais présence importante des espèces non-apatitiques Alté Altération mais pré préservation de la couche hydraté hydraté Caractè Caractère bioactif attendu aprè après traitement SPS Etude par microscopie Raman des ANB, avant consolidation Décomposition mathématique dans le domaine spectral υ1υ 3PO43- 3h Temps de maturation 3 sem OH-apatitique 20 HPO42- 35 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 (ap + non-ap) 30 5050.0% 20 4040.0% 15 3030.0% 10 2020.0% 5 1010.0% 0 1j Avant 3js 5js Après 1sem 3sem 7070.0% 6060.0% 25 20min 3h PO43(ap + non-ap) 8080.0% 20min 3h 1j Avant 3js 5js Après 1sem 3sem 00.0% 20min 3h 1j 3js 5js 1sem 3sem Avant Après Pendant la consolidation : → pour chaque temps de maturation, le traitement SPS suscite une réaction partielle d’hydrolyse interne[4] : [2] Rey et al., Mat. Sci. Eng. C, 27 (2007) 198-205 [3] Rey et al., Calcif Tissue Int (1990) 46:384-394 PO43- + H2O → HPO42- + OH[4] Heughebaert, J.C. PhD, INP Toulouse (1977)
