berder 2012 biomimetisme et tissu osseux · 2016-04-12 · glimcher et al. reviews in mineralogy...
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BIOMIMETISME et TISSU OSSEUX
Apatites Biologiques / Apatites Biomimétiques
Berder 2012Naturel et artificiel: le vivant et ses représentat ions
S. SardaEquipe « Phosphates, Pharmacotechnie et Biomatériaux »
Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénie rie des Matériaux (CIRIMAT)UMR CNRS 5085, Toulouse
TISSU OSSEUX
Bone tissueBone tissue
Mineral
69 %
Organic matter22%
Water9%
Collagen
90 %
CellularProteins
16 %
84 %
Spécific proteinsNon-spécific proteins Growth factors
Bone tissueBone tissue
Mineral
69 %
Organic matter22%
Water9%
Mineral
69 %
Organic matter22%
Water9%
Collagen
90 %
CellularProteins
16 %
84 %
Spécific proteinsNon-spécific proteins Growth factors
Fonction et ConstitutionFonction et Constitution
Mécanique:
� soutien et maintien du corps
� protection des organes vitaux
Métabolique:
� réserve en ions (calcium,
Mécanique:
� soutien et maintien du corps
� protection des organes vitaux
Métabolique:
� réserve en ions (calcium,
Le remodelage osseux
� réserve en ions (calcium,
phosphate, sodium, magnésium… )
� tissu dynamique
Hématopoïétique:
� renferme la moelle osseuse
�(réserve en cellules).
� réserve en ions (calcium,
phosphate, sodium, magnésium… )
� tissu dynamique
Hématopoïétique:
� renferme la moelle osseuse
�(réserve en cellules).
Seeman E. NEJM (2006)
TISSU OSSEUXVieillissement osseuxVieillissement osseux
Mas
se o
sseu
se
Obtention du pic de masse osseuse
Consolidation Perte osseuse en rapport avec l’âge
Maximum de densité minéralde l’os trabéculaire et de l’os cortical
Mas
se o
sseu
se
Obtention du pic de masse osseuse
Consolidation Perte osseuse en rapport avec l’âge
Maximum de densité minéralde l’os trabéculaire et de l’os cortical
Mas
se o
sseu
se
Âge (années)0 10 20 30 40 50 60 70
Homm
es
FemmesMas
se o
sseu
se
Âge (années)0 10 20 30 40 50 60 70
Homm
es
Femmes
Représentation schématique des changementsde la masse osseuse durant la vie
Clunie et al. Ostéoporose Ed. Elsevier (2009)
(Société Françaisede Rhumatologie)
TISSU OSSEUX
Os cortical
Os long
Structures microscopiques et macroscopiques de l’os mature(ou os lamellaire)
Structures microscopiques et macroscopiques de l’os mature(ou os lamellaire)
Os spongieux(calciné)
Os cortical
Epple et al. Angew. Chem. Int. Ed. (2002)Meunier A. Galerne (2001)
TISSU OSSEUX
BiominéralisationBiominéralisation
Tropocollagène
Fibre
Os Cortical
vide(apatite)
Meunier A. Galerne (2001)Glimcher et al. Reviews in Mineralogy & Geochemist ry (2006) ;Landis et al. Bone (1995)Weiner and Wagner. Annu Rev Mater Sci (1998)
Apatites : une structure « accueillanteApatites : une structure « accueillante
Composition chimique
Me10 (XO4)6 Y2
Ca2+ PO4 3- OH-
Sr2+ AsO 43- F-
Ba2+ VO 3- Cl-
Apatites biologiques
Structure « très accueillante »
• Existence de tunnels (ions Y -)• Admet de nombreuses substitutions• Admet de grands écarts à la stoechiométrie
Structure « très accueillante »
• Existence de tunnels (ions Y -)• Admet de nombreuses substitutions• Admet de grands écarts à la stoechiométrie Ba2+ VO4
3- Cl-
Pb2+ Br -
Cd2+
Mn2+
stoechiométriestoechiométrie
Projection sur le plan de base (001) de la
maille de HAP : Ca10(PO4)6(OH)2
Young R.A. Colloques Internationaux C.N.R.S. (1973)
CO32-
HPO42-
Apatites biologiquesCaractéristiques des Minéralisations
Biologiques (vertébrés)Caractéristiques des Minéralisations
Biologiques (vertébrés)
Ca10 (PO4)6 (OH)2
10 µµµµm
Ca8,3 ����1,7 (PO4)4,3 (HPO4, CO3)1,7 (OH)0,3 ����1,7Os :
Ca9,4 ����0,6 (PO4)5,4 (HPO4, CO3)0,6 (OH)1,4 ����0,6Email dentaire:Os
50-85 % minéralNanocristaux
(plaquettes 20-60 x 10-20 x 2-5 (nm))Grande surface spécifique
Os
50-85 % minéralNanocristaux
(plaquettes 20-60 x 10-20 x 2-5 (nm))Grande surface spécifique
Email dentaire
97-99 % minéralGros cristaux
(aiguilles)
Email dentaire
97-99 % minéralGros cristaux
(aiguilles)
Le minéral de l'os est plus lacunaire et plus solub le que celui de l'émail dentaire
Legros et al. Calcif Tissue Int (1987)Lowenstam et al. (1989)
Evolution structurale (DRX)
Evolution structurale (DRX)
Evolution du minéral osseux
Evolution de la tailledes cristallites(os de poulet)
17 days
5 weeks
0
5
10
15
20
25
14 d 16 d 18 d 14 d 21 d 4 w 6 w 8 w 18 w 32 w 70 w 2 y
Raie 002 Raie 310nm
Age
Bonar et al. Calcif Tissue Int (1983)
2 years
HAP
(310)(002)
Evolution structurale (DRX)
Evolution structurale (DRX)
Evolution du minéral osseux
1-3 m cancellous bone
1-3 m cortical bone
4-5 y cancellous bone
Comparaison os spongieux / os cortical animal (bovin)vieux ( 4–5 years ) /jeune ( 1–3 months )
4-5 y cortical bone
Rey C., Glimcher M.J. and al. Calcif Tissue Int 8 3:146-154(2008)
Evolution du minéral osseux
old bone new bone
Décomposition de bandes (νννν3 PO4) par FTIR
Décomposition de bandes (νννν3 PO4) par FTIR
Rey et al. J Bone Miner Metab 28:433–445 (2010)Daculsi et al. C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences 321,865-876 (1998)
Evolution du minéral osseuxDécomposition ( νννν4 PO4) (cow bone)Décomposition ( νννν4 PO4) (cow bone)
Ab
sorb
ance
OH-
Labile non-apatitic Phosphate
Apatitic phosphate
Apatitic HPO 42-
Labile non-apatitic HPO 42-
rabbit
hydroxyapatite
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
12d 14d 16d 18d 14 d 4 w 14 w 32 w 50 w 70 w
Age
Evolution de la proportion d'environnementsnon-apatitiques des ions HPO 4 (FTIR, os de poulet)
Inte
nsité
rela
tive
430480530580630680
Wavenumbers (cm -1)
mouse
Eichert et al. Nanocrystalline apatite-based biomaterials: synthes is, processing and characterization, in: J.B. Kendal l (Ed.) Biomaterials Research Advances, Nova Science Publishers, pp. 93– 143 (2007)Miller et al. BBA (2001)
Type B : CO 32- for PO 4
3-
Type A : CO 32- for OH -
Evolution du minéral osseux
Décomposition de bandes (νννν2 CO3) par FTIR
Décomposition de bandes (νννν2 CO3) par FTIR
Evolution de la proportion des différents types de
carbonate
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
14 d 16 d 18 d 14 d 21 d 4 w 8 w 14 w 18 w 32 w 70 w 2 y
CO3 A CO3 B CO3 n-a
AgeEichert et al. Nanocrystalline apatite-based biomaterials: synthes is, processing and characterization, in: J.B. Kendal l (Ed.) Biomaterials Research Advances, Nova Science Publishers, pp. 93– 143 (2007)
Evolution du minéral osseux
Apatite core
Hydrated layer
Maturation du minéral? L’os est un matériau évolutif
Maturation du minéral? L’os est un matériau évolutif
Signification ?La maturité du minéral osseux est liée au renouvell ement du tissu
Signification ?La maturité du minéral osseux est liée au renouvell ement du tissu
Rey et al. Osteoporos Int (2009)
Apatites Biomimétiques
Variation de la dimensiondes cristallites par DRX
Maturation des apatites synthétiquesMaturation des apatites synthétiques
Evolution structuraleEvolution structurale
(002)
Os
ANC- 30j
ANC- 6J
(310)
0
5
10
15
20
25
0 3 jours 10 jours 1 mois
temps de maturation
dim
en
sion
s (n
m)
longueur épais seur/ largeur
Cry
sta
l siz
e (n
m)
Maturation time
0 3 days 10 days 1 month
Length Width/depth
20 30 40 50 60 70
2θ (degré)
ANC-1j
100 nm
Evolution structuraleanalogue aux apatites biologiques
Evolution structuraleanalogue aux apatites biologiques
Eichert et al. Nanocrystalline apatite-based biomaterials: synthes is, processing and characterization, in: J.B. Kendal l (Ed.) Biomaterials Research Advances, Nova Science Publishers, pp. 93– 143 (2007)
Maturation des apatites synthétiquesMaturation des apatites synthétiques
Apatites Biomimétiques
Evolution de la compositionEvolution de la composition
new bone
of synthetic carbonated apatite
Décomposition ( νννν1,ν,ν,ν,ν3 PO4 et νννν2CO3) par FTIR
synthetic carbonated apatite
old bone
of synthetic carbonated apatite
Evolution physico-chimiqueanalogue aux apatites biologiques
Evolution physico-chimiqueanalogue aux apatites biologiques
Eichert et al. Nanocrystalline apatite-based biomaterials: synthes is, processing and characterization, in: J.B. Kendal l (Ed.) Biomaterials Research Advances, Nova Science Publishers, pp. 93– 143 (2007)Rey et al. J Bone Miner Metab (2010)
Epaisseur de la couche hydratée?Epaisseur de la couche hydratée?Apatites Biomimétiques
Evaluation par RMN du solideEvaluation par RMN du solide
Epple et al. Magn. Reson. Chem (2006)
100 nm
«««« Biomatériaux: Matériaux non vivants utilisés dans un dispositif Biomatériaux: Matériaux non vivants utilisés dans un dispositif Biomatériaux: Matériaux non vivants utilisés dans un dispositif Biomatériaux: Matériaux non vivants utilisés dans un dispositif
médical destiné à intéragir avec les systèmes biologiquesmédical destiné à intéragir avec les systèmes biologiquesmédical destiné à intéragir avec les systèmes biologiquesmédical destiné à intéragir avec les systèmes biologiques ».».».».
(1986, Chester)(1986, Chester)(1986, Chester)(1986, Chester)
BIOMATERIAUX INORGANIQUES
Métaux:
� Alliage Ti; Cr/Co
� Acier inoxydable
Métaux:
� Alliage Ti; Cr/Co
� Acier inoxydable
Céramiques:
� Alumine (Al2O3)
� Zircone(ZrO2)
� Hydroxyapatite
Polymères:
� Polyéthylène
� Silicone
� Acrylates
Céramiques:
� Alumine (Al2O3)
� Zircone(ZrO2)
� Hydroxyapatite
Polymères:
� Polyéthylène
� Silicone
� Acrylates
� Propriétés chimiques particulières
�Grande adaptabilité à des physiologies différentes
Biocompatibilité/Bioactivité� contact direct tissu/matériau
Biodégradabilité/biorésorbabilité (porosité, taille, maturation…)
Adsorption/Relargage de principes actifs, facteurs de croissance….
Ostéoconductivité ? �macroporosité/interconnectée ?
BIOMATERIAUX BIOMIMETIQUES
Apatites BiomimétiquesApatites Biomimétiques
Autefage et al. Inc. J Biomed Mater Res Part B: App l Biomater 91B: 706–715 (2009)Eichert et al. Nanocrystalline apatite-based biomaterials: synthes is, processing and characterization, in: J.B. Kendal l (Ed.) Biomaterials Research Advances, Nova Science Publishers, pp. 93– 143 (2007)
3 µµµµm
CONCLUSION: Biomimétisme/Biominéralisation“A“A“A“A centralcentralcentralcentral tenettenettenettenet ofofofof biomineralizationbiomineralizationbiomineralizationbiomineralization inininin multicellularmulticellularmulticellularmulticellular organismsorganismsorganismsorganisms isisisis thatthatthatthat organicorganicorganicorganic matricesmatricesmatricesmatrices
suchsuchsuchsuch asasasas collagencollagencollagencollagen playplayplayplay anananan importantimportantimportantimportant rolerolerolerole inininin thethethethe nucleation,nucleation,nucleation,nucleation, growth,growth,growth,growth, andandandand organizationorganizationorganizationorganization ofofofof
inorganicinorganicinorganicinorganic precipitationprecipitationprecipitationprecipitation reactions,reactions,reactions,reactions, thusthusthusthus itititit seemsseemsseemsseems reasonablereasonablereasonablereasonable totototo assumeassumeassumeassume thatthatthatthat analogousanalogousanalogousanalogous
softsoftsoftsoft templatestemplatestemplatestemplates couldcouldcouldcould bebebebe usedusedusedused inininin biomimesisbiomimesisbiomimesisbiomimesis ((((…………)))) suchsuchsuchsuch asasasas surfactantsurfactantsurfactantsurfactant micellesmicellesmicellesmicelles ””””
GreenGreenGreenGreen DDDD.... ,,,, WalshWalshWalshWalsh DDDD.... ,,,, MannMannMannMann SSSS.... ,,,, OreffoOreffoOreffoOreffo RRRR.... OOOO.... CCCC.... BoneBoneBoneBone 30303030((((6666)))) 810810810810––––815815815815 ((((2002200220022002))))
Green D. , Walsh D. , Mann S. , Oreffo R. O. C. . B one Vol. 30, No. 6 810–815 (2002)Walsh D., Lebeau B. L., Mann S. Adv. Mater. 11, 324 -328 (1999)
“Walsh“Walsh“Walsh“Walsh andandandand MannMannMannMann pioneeredpioneeredpioneeredpioneered thethethethe useuseuseuse ofofofof microemulsionsmicroemulsionsmicroemulsionsmicroemulsions totototo mimicmimicmimicmimic thethethethe basicbasicbasicbasic mechanismsmechanismsmechanismsmechanisms ofofofof
biomineralizationbiomineralizationbiomineralizationbiomineralization inininin whichwhichwhichwhich nucleationnucleationnucleationnucleation andandandand growthgrowthgrowthgrowth ofofofof thethethethe mineralmineralmineralmineral phasephasephasephase isisisis coupledcoupledcoupledcoupled withwithwithwith
higherhigherhigherhigher orderorderorderorder construction”construction”construction”construction”