Article

1 - APATITES DANS LES BIOMINÉRAUX

2 - CARACTÉRISTIQUES ET PROPRIÉTÉS DES APATITES NANOCRISTALLINES

3 - BIOMIMÉTISME DES BIOMINÉRAUX : CHOIX DES PROPRIÉTÉS À IMITER

4 - PRÉPARATION D’ANALOGUES DE SYNTHÈSE : APATITES NANOCRISTALLINES BIOMIMÉTIQUES

5 - APPLICATIONS BIOMÉDICALES

6 - DU LABORATOIRE AU PATIENT ?

  • 6.1 - Discussion sur les aspects normatifs de l’ISO
  • 6.2 - Autres considérations

7 - CONCLUSION

8 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : IN227 v1

Apatites biomimétiques - Des biominéraux aux analogues de synthèse pour le biomédical

Auteur(s) : Christophe DROUET, David GROSSIN, Christèle COMBES, Stéphanie SARDA, Sophie CAZALBOU, Christian REY

Date de publication : 10 juil. 2018

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RÉSUMÉ

Les apatites constituent une vaste famille de composés inorganiques, incluant les apatites phosphocalciques rencontrées dans le domaine des biomatériaux. Cet article se focalise sur les apatites nanocristallines, présentes au sein de l’os ou de la dentine, et pour lesquelles des analogues de synthèse ouapatites biomimétiquespeuvent être préparés en vue d’applications biomédicales. Différents aspects sont abordés concernant leurs caractéristiques propres et propriétés physico-chimiques et thermodynamiques, leur élaboration et mise en forme, ainsi que leurs applications principalement dans le domaine des substituts osseux mais également en nanomédecine à visée diagnostique ou thérapeutique.

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ABSTRACT

Biomimetic apatites biominerals to synthetic analogs for biomedicineFrom

Apatites constitute a family of inorganic compounds. In particular, calcium phosphate apatites are particularly relevant in the biomaterials field. This article focuses on nanocrystalline apatites that are for example present in bone and dentin, and for which synthetic analogs called “biomimetic apatites” can be prepared and used for biomedical applications. Various aspects are addressed concerning their specific characteristics, their physicochemical and thermodynamic properties, their preparation and processing, and their biomedical use mainly as bone substitutes but also in nanomedicine, for diagnosis or therapy.

Auteur(s)

  • Christophe DROUET : Docteur en sciences des matériaux - Directeur de recherche CNRS, Laboratoire CIRIMAT (Toulouse), France

  • David GROSSIN : Docteur en chimie des matériaux - Maître de conférences à l’Institut national polytechnique de Toulouse, Laboratoire CIRIMAT (Toulouse), France

  • Christèle COMBES : Docteur en science des matériaux - Professeur à l’Institut national polytechnique de Toulouse, Laboratoire CIRIMAT (Toulouse), France

  • Stéphanie SARDA : Docteur en sciences des matériaux - Maître de conférences à l’université Toulouse III Paul Sabatier, Laboratoire CIRIMAT (Toulouse), France

  • Sophie CAZALBOU : Docteur en sciences et génie des matériaux - Maître de conférences à l’université Toulouse III Paul Sabatier, Laboratoire CIRIMAT (Toulouse), France

  • Christian REY : Docteur en sciences physiques - Professeur émérite, Institut national polytechnique de Toulouse, Laboratoire CIRIMAT (Toulouse), France

INTRODUCTION

Les apatites nanocristallines sont des composés de type céramique rencontrées naturellement dans certains biominéraux. Il est par ailleurs possible de synthétiser des analogues biomimétiques (de caractéristiques proches des apatites biologiques) en conditions bio-inspirées. Ces composés diffèrent significativement des apatites géologiques ou encore d’hydroxyapatite préparée à haute température. Qu’elles soient d’origine biologique ou de synthèse, les apatites nanocristallines présentent en effet certaines caractéristiques propres : des cristaux nanométriques, une composition chimique sous-stœchiométrique en ions calcium et hydroxydes et qui contient des anions divalents tels que et/ou , une morphologie allongée généralement plaquettaire, et leurs nanocristaux sont constitués d’un cœur apatitique recouvert d’une couche ionique hydratée non apatitique contenant des ions particulièrement mobiles. La présence de cette couche de surface confère aux nanocristaux une réactivité exceptionnelle pouvant notamment être mise à profit dans des réactions d’échanges ioniques ou d’adsorption moléculaire (biomolécules, médicaments…) et permettant de conférer des propriétés additionnelles à ces composés (antibactériennes, anti-résorptives, luminescence,…). Les nanocristaux sont thermodynamiquement métastables et évoluent progressivement lorsqu’ils sont en conditions humides, permettant de mimer un minéral osseux plus ou moins mature. Il est possible de mettre en forme ces apatites biomimétiques en vue d’applications biomédicales variées, non seulement pour la régénération osseuse mais aussi en nanomédecine pour le diagnostic médical ou la thérapie cellulaire. Mais les techniques de mise en forme utilisées, incluant les opérations de frittage, se doivent de prendre en compte ce caractère métastable en mettant en œuvre par exemple des approches « basses températures ». De même, la caractérisation physico-chimique de ces composés doit être menée avec précaution afin de ne pas altérer les nanocristaux pendant l’analyse.

Points clés

Domaines. Biomatériaux. Biomimétisme. Nanomédecine. Biominéraux. Phosphates de calcium

Degré de diffusion de la technologie. Maturité

Technologies impliquées. Synthèse d’analogues biomimétiques au minéral osseux. Caractérisation physico-chimique et thermodynamique. Mise en forme de biomatériaux par « chimie douce »

Domaines d’application. Biomatériaux osseux. Nanoparticules pour la thérapie cellulaire/l’imagerie médicale

Principaux acteurs français.

  • Pôles de compétitivité : Cancer-Bio-Santé, Pôle Européen de la Céramique, Medicen Paris Region, Nutrition Santé Longévité,…

  • Groupements de recherche : GdR CNRS Réparer l’humain, Commission « Matériaux pour la Santé » (SF2M/GFC/Cefracor/Titane), Association Biomat, Institut Carnot Chimie Balard Cirimat…

  • Industriels : 3D CERAM, BIOCETIS, BIOMATLANTE, CERAVER, EINCOBIO, GRAFTYS, HIMED, KASIOS, MARION TECHNOLOGY, MEDICAL GROUP, NORAKER, SBM, SUBTILIS BIOMATERIALS, TEKNIMED,…

Autres acteurs dans le monde : AAP IMPLANTS, CAM BIOCERAMICS, DEPUY SYNTHES, ETEX, EUROCOATING, FINCERAMICA, NOBEL BIOCARE, ORCHID ORTHO, STRYKER,…

Contact : [email protected]

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KEYWORDS

bone mineral   |   synthetic analog   |   hydrated layer   |   calcium phosphate

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in227


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LOWENSTAM (H.A.) -   Minerals formed by organisms.  -  Science 211 1126-1131 (1981).

  • (2) - ENSIKAT (H.J.r.), GEISLER (T.), WEIGEND (M.) -   A first report of hydroxylated apatite as structural biomineral in Loasaceae-plants’ teeth against herbivores.  -  Scientific Reports 6 1-10 (2016).

  • (3) - KIRSCH (T.) -   Biomineralization : An active or passive process ?.  -  Connective Tissue Research 53(6) 438-445 (2012).

  • (4) - WHITE (T.J.), ZHILI (D.) -   Structural derivation and crystal chemistry of apatites.  -  Acta Crystallographica Section B : Structural Science B59 1-16 (2003).

  • (5) - COMBES (C.), CAZALBOU (S.), REY (C.) -   Apatite Biominerals.  -  Minerals 6(34) 1-25 (2016).

  • (6) - MONTEL (G.), BONEL (G.), HEUGHEBAERT (J.C.), TROMBE (J.C.), REY (C.) -   New...

NORMES

  • Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 2 : Revêtements à base d’hydroxyapatite - ISO 13779-2 - 2008

  • Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 3 : Analyse chimique et caractérisation de la cristallinité et de la pureté de phase - ISO 13779-3 - 2008

  • Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 4 : Détermination de la résistance à l’adhésion du revêtement - ISO 13779-4 - 2002

  • Implants chirurgicaux – Hydroxyapatite – Partie 6 : poudres - ISO 13779-6 - 2015

  • Implants chirurgicaux – Phosphates de calcium – Partie 3 : substituts osseux à base d’hydroxyapatite et de phosphate tricalcique bêta - ISO 13175-3 - 2012

  • Évaluation biologique des dispositifs médicaux – Partie 18 : caractérisation chimique des matériaux - ISO 10993-18 - 2005

  • Implants chirurgicaux non actifs – Revêtement de l’implant...

ANNEXES

  1. 1 Logiciels

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