Les biomatériaux céramiques de phosphate de calcium

Synthèse par précipitation en voie aqueuse

Les procédés de synthèse de biomatériaux phosphocalciques font l’objet de nombreux travaux de recherche dans la littérature. La méthode la plus couramment utilisée pour la synthèse de poudre de phosphate de calcium est la précipitation en voie aqueuse. C’est celle qui a été utilisée pour la synthèse des matériaux pour ce travail de thèse. Cette méthode consiste à utiliser un réacteur (Figure 17) pour rajouter une solution aqueuse de phosphate (enrichie ou non en silicium ou en carbonate) dans une solution de calcium à un débit, une température et un pH contrôlés. Les solutions sont mises à maturer sous agitation pendant une durée déterminée. La solution est ensuite récupérée dans des bocaux, centrifugée et le précipité mis dans une étuve à 100°C toute une nuit (protocole détaillé ci-dessous). 3 compositions chimiques de matériaux ont été synthétisées : -l’hydroxyapatite stœchiométrique, HA : Ca10(PO4 ) 6 (OH)2 -l’hydroxyapatite silicatée, SiHA : Ca10(PO4 ) 5,6(SiO4 ) 0,4(OH)1,6 -l’hydroxyapatite carbonatée de type B, CHA : Ca9,5(PO4)5,5(CO3)0,48 (OH)1,5  

Synthèse d’hydroxyapatite stœchiométrique (HA) 

Sur la base des travaux de recherche de Raynaud et al (Raynaud et al., 2002), une solution de phosphate (NH4)2HPO4 de pureté 99% (sigma aldrich) de concentration 0,19 mol/L a été ajoutée à une solution de calcium Ca(NO3)2,4H2O (Sigma–Aldrich, pureté: 99%) à 0,32 mol/L pour avoir un rapport stœchiométrique final Ca/P=1,667. Le débit d’addition a été contrôlé (10mL/min). Le mélange est resté sous agitation à 120 rotations par minute (rpm) pendant 15 min, à 90°C. Le pH a été maintenu à 9 par l’ajout d’une solution d’hydroxyde d’ammonium (NH4,OH, sigma aldrich) à l’aide d’une pompe gamma (pompe gamma/L, ProMinent). La synthèse s’est faite sous balayage d’argon à 0,5 L/min pour éviter la carbonatation. Après les 15 min de maturation, le précipité a été récupéré dans des bocaux pour être lavé et enlever les résidus de la synthèse. Les bocaux ont été remplis à moitié avec le précipité et équilibrés deux à deux avec de l’eau distillée pour être centrifugés pendant 5 min à 500G. Cette étape a été réalisée trois fois. Le précipité a été mis à sécher dans une étuve à 100°C durant 12 heures.

Synthèse d’hydroxyapatite silicatée (SiHA)

 La synthèse d’hydroxyapatite silicatée a été réalisée sur la base des travaux de recherche de M. Palard, (Palard et al., 2008). Une solution de phosphate (NH4)2HPO4 (Sigma–Aldrich, pureté : 99%) à 0,60 mol/L et de silicium Si(OCOCH3)4 à 0,04 mol/L (Sigma–Aldrich, pureté : 98%) a été ajoutée dans la solution de calcium Ca(NO3)2,4H2O (Sigma–Aldrich, pureté: 99%) à 0,64 mol/L pour avoir une substitution hypothétique en silicium x=0,4 mol soit 1,13% massique. La solution de silicium a préalablement été homogénéisée dans un broyeur planétaire (Pulvérisette 6, Fritsch). 13,800 g de poudre ont été mélangés à 100 mL d’eau distillée dans une jarre en alumine de 250 mL contenant 4 billes de broyage en alumine de diamètre 15 mm. La solution a été homogénéisée dans le broyeur planétaire pendant 1 min à 150 rpm. Ce mélange a ensuite été ajouté à la solution de phosphate et complété avec de l’eau distillée pour atteindre un volume final de 1,2 L. Ce mélange de solution de phosphate et de silicium a été ajouté à la solution de calcium avec un débit d’écoulement maintenu à 10 mL/min. La solution a maturé sous agitation à 120 rpm pendant 15 min à 90°C sous un débit d’argon 0,5 L/min. Une solution d’hydroxyde d’ammonium a été ajoutée par impulsion à l’aide d’une pompe gamma (pompe gamma/L, ProMinent) pour maintenir le pH à 9. Après les 15 min de maturation, le précipité a été récupéré dans des bocaux pour être lavé et enlever les résidus de la synthèse. Les bocaux ont été remplis à moitié avec le précipité et équilibrés deux à deux avec de l’eau distillée pour être centrifugés pendant 5 min à 500G. Cette étape a été réalisée trois fois. Le précipité a été mis à sécher dans une étuve à 100°C durant 12 heures.

Synthèse d’hydroxyapatite carbonatée (CHA) 

La synthèse d’hydroxyapatite carbonatée a été réalisée selon le protocole établi par JM Lafon (Lafon et al., 2008). Une solution aqueuse de phosphate (NH4)2HPO4 (Sigma–Aldrich, pureté: 99%) à 0,53 mol/L et de carbonate (NH4)2HCO3 (Sigma– Aldrich, pureté: 99%) à 0,07 mol/L a été ajoutée à la solution de calcium Ca (NO3)24H2O (Sigma–Aldrich, pureté: 99%) à 0,53 mol/L. Le pH de la réaction a été maintenu à 9 par l’addition d’une solution d’hydroxide d’ammonium (NH4OH). La température a été contrôlée et maintenue à 90 °C et le pH à 9 grâce à l’ajout d’une solution d’hydroxyde d’ammonium. La réaction a été réalisée sous flux d’argon (0,5 mL/min) pour éviter la carbonatation incontrôlée de l’apatite par dissolution de gaz 98 CO2. Le mélange réactionnel a été agité pendant 30 min, 120 rpm. Le précipité a été récupéré dans des bocaux pour être lavé et enlever les résidus de la synthèse. Les bocaux ont été remplis à moitié avec le précipité et équilibrés deux à deux avec de l’eau distillée pour être centrifugés pendant 5 min à 500G. Cette étape a été réalisée trois fois. Le précipité a été mis à sécher dans une étuve à 100°C durant 12 heures. Trois lots de poudres ont été synthétisés. La valeur en ions carbonates étant du même ordre de grandeur pour les trois lots d’échantillons, ces lots ont été mélangés au turbula toute une nuit. Un mélange unique des 3 lots de poudres ont été utilisés pour s’assurer d’avoir suffisamment de poudre pour réaliser l’ensemble des expériences biologiques en conditions comparables. 

Caractérisation des poudres

 Le précipité séché a été broyé à l’aide d’un mortier. La poudre CHA, a été calcinée à 400°C-2h sous air pour éviter la décarbonatation qui peut se produire dès 600°C (Lafon, 2004). Par contre, un aliquot des poudres HA et SiHA, a été calciné à 1000°C15 h sous air selon le standard de la norme ISO 13779-3 :2008 (1) dans un four super Khantal pour vérifier la pureté des phases. La pureté des poudres calcinées a été vérifiée selon les spécifications du standard ISO 13779-3:2008 par diffraction des rayons X (DRX) pour contrôler l’absence de phase cristalline secondaire β ou αTCP ou bien d’oxyde de calcium (CaO). La DRX a été réalisée en utilisant les radiations Kα du cuivre (CuKα) sur un diffractomètre D 5000 (Figure 18) avec un pas de 0,020°C, un temps de pause de 4 s à température ambiante sur une plage de 30-39°C. L’identification des phases cristallines a été faite avec le logiciel EVA en comparant les pics de diffraction avec les références des fiches ICDDPDF (International Centre for diffraction Data-Powder Diffraction Files) (Tableau 9). Aucune phase secondaire cristallisée n’a été détectée sur les poudres calcinées, (Figure 18), quelle que soit la composition.