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Chapitre3 Prothèse de hanche - Apatite- 31082010 - 1 -

BIOMATERIAUX

Chapitre 3 – Apatite

Science des mat ériauxTechniques de

caractérisation

Médecine

Biomat ériaux

D. Bazin

Laboratoire de Physique des Solides UMR 8502,

Université Paris Sud, Bât 510 91405 Orsay Cedex, France.

Chapitre3 Prothèse de hanche - Apatite- 31082010

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Chapitre 3 Apatite

Partie A Quelques généralités sur l’os p3 Chapitre 3A.1 Les différents types d’os

p8 Chapitre 3A.2 Structure à l’échelle macroscopique

p9 Chapitre 3A.3 Structure à l’échelle mésoscopique

p11 Chapitre 3A.4 Structure à l’échelle cellulaire

p15 Chapitre 3A.5 Mise en œuvre de l’apatite dans le milieu médical

Partie B Propriétés physicochimiques p20 Chapitre 3B.1 Généralités

p22 Chapitre 3B.2 Première spécificité structurale : Nanomatériaux

p24 Chapitre 3B.3 Nano & Ecart à la formule stœchiométrique

p26 Chapitre 3B.4 Ecart à la formule stœchiométrique : défaut des OH-

p28

Chapitre 3B.5 Ecart à la formule stœchiométrique : Lacunes cationiques

p29 Chapitre 3B.6 Deuxième spécificité structurale : surface non apatitique

p32 Chapitre 3B.7 Structure des apatites à l’échelle atomique

p39 Chapitre 3B.8 Les processus de substitution à l’échelle atomique

p40 Chapitre 3B.9 Les carbonates et Quelques études associées

- La disposition des groupements carbonates dans la maille

- Solubilité des apatites carbonatées

- Dilatation thermique des apatites

p57 Chapitre 2.B.10 Les cations

- Règles de goldschmit

p58 -Zn2+

Partie C La diffraction des rayons X p75 Chapitre 3C.1 Généralités

Chapitre 3C.2 Aspects expérimentaux

p66 Chapitre 3C.3 Complémentarité Neutrons – Rayons X

p56 Chapitre 3C.4 Equation de Debye

p59 Chapitre 3C.5 Diffraction de nanomatériaux

p60 Chapitre 3C.6 Formule de Scherrer

Chapitre 2.3.5 Le cas de nanocristaux anisotropes

Chapitre 2.3.6 Application aux apatites

Partie D Les cations

Partie E Quelques études sur des phosphates de calcium proches de

l’apatite

Partie F Quelques études sur des échantillons biologiques

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CHAPITRE 3C LA DIFFRACTION DES RAYONS X

Chapitre 3C.1 Généralités

Par définition1, il y a diffraction lorsqu’un objet irradié par une onde émet des

radiations secondaires de même longueur d’onde avec une répartition dans

l’espace caractéristique de la structure de l’objet.

1. Guinier A, X-ray diffraction in crystals, imperfect crystals and amorphous bodies, Dunod,

Paris, 1956.

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2

2. http://www.crhea.cnrs.fr/crhea/loi_bragg.htm

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Chapitre 3C.2 Aspects expérimentaux

L’intensité en fonction de l’angle donne l’organisation des atomes dans la matière

Neutrons

Grande pénétration dans la Matière

Sensibilité aux éléments légers

Taille moyenne des cristaux

Rayons X

Petits faisceaux - Cartographie

Très faible quantité d’échantillons

Taille moyenne des cristaux

Facteur de diffusion atomique des rayons X

3

3. http://wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/cadres/Cadre_chap_16.htm

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Montages expérimentaux – Rayons X

4

5

4. http://www.unilim.fr/theses/2003/sciences/2003limo0064/these_back.html

5. http://wwwens.uqac.ca/chimie/Chimie_theorique/cadres/Cadre_chap_16.htm

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Chapitre 3C.3 Complémentarité Neutrons – Rayons X

Neutrons

Grande pénétration dans la Matière

Sensibilité aux éléments légers

Taille moyenne des cristaux

Rayons X

Petits faisceaux - Cartographie

Très faible quantité d’échantillons

Taille moyenne des cristaux

Montages expérimentaux – Neutrons

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Chapitre 3C.4 Equation de debye

A simple way to calculate the diffraction diagram of a

collection of nanometer-scale clusters with known geometry

but random orientation and position is to used the Debye

scattering equation.

I(q)=ij f0i(q)f0j(q)sin(qRij)/qRij

• In this equation, I(q) is the angle dependent intensity from coherent

scattering, q bisects the angle between the incident and scattered

directions, which in turn defines the scattering plane.

•

•

• The sums over i and j are over all the atoms, Rij being the distance

between the atom i and j and fi and fj being the angle dependent atomic

scattering factors.

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The energy independent part denoted also f0(q) is in fact the usual form factor

related to (r), the electron density of the atom.

f0(q) = 4 0∞ (r) (sin(qr) /qr) r2dr

Most of the radiation scattered at high q value is due to the electrons of inner

shells of the electron cloud.

f0(q=0) = Z

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Using the Debye formulae, we can evaluate the diffraction intensities of very small

metallic clusters.

I(q) = i

j f

i(q)f

j(q)sin(qR

ij)/qR

ij

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Chapitre 3C.5 Diffraction de nanomatériaux

2 3 4 5 6

N=2057

N=147

N=1415

111

200 220

311

222

N=923

N=561

N=309

N=55

N=13

k(Å-1

)

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

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Chapitre 3C.6 Formule de Scherrer

2 3 4 5 6

N=2057

N=147

N=1415

111

200 220

311

222

N=923

N=561

N=309

N=55

N=13

k(Å-1

)

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

D=K/cos()

D : Dimension moyenne des cristaux

: longueur d’onde

K: facteur de forme

: largeur à mi hauteur de la raie

: position de la raie

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Chapitre 3C.8 Le cas de nanocristaux anisotropes

Nanotube (111)

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nanotube (111) N=45Nanotube (111) N=69Nanotube (111) N=95Nanotube (111) N=121Nanotube (111) N=235Nanotube (111) N=335

0

1 105

2 105

3 105

4 105

5 105

6 105

7 105

8 105

111

222

333

2 /d (�-1

)

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NNaannoottuubbee ((000011))

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Nanotube (001) N=31

Nanotube (001) N=95

Nanotube (001) N=147

Nanotube (001) N=191

Nanotube (001) N=243

0

5 104

1 105

1,5 105

2 105

2,5 105

3 105

3,5 105

In

ten

sity

200

400

2 /d (�-1

)

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Chapitre 3C.8 Application aux apatites

6

6. Bazin et al., Diffraction techniques and vibrational spectroscopy

opportunities to characterise bones, Osteoporos Int (2009) 20:1065–1075.