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”