these britel

7/29/2019 These Britel

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UNIVERSIT MOHAMMED V AGDALFACULT DES SCIENCES

Rabat

N dordre : 2326

THSE DE DOCTORAT DETAT

Prsente par

Ouafae BRITEL

Discipline : ChimieSpcialit : Chimie Physique

MODELISATION ET OPTIMISATION PAR LA METHODOLOGIEDES PLANS DEXPERIENCES DE LA SYNTHESE :

- DE LHYDROXYAPATITE PHOSPHOCALCIQUE- DU PHOSPHATE TRICALCIQUE APATITIQUE- DU PHOSPHATE DE CALCIUM APATITIQUE CARBONATE

Soutenue le 17 Janvier 2007Devant le jury

Prsident :A. ZRINEH : Professeur la Facult des Sciences de Rabat

Examinateurs :H. CHAAIR : Professeur la Facult des Sciences et Techniques de Mohammadia

K. DIGUA : Professeur la Facult des Sciences et Techniques de MohammadiaM. HAMAD : Professeur la Facult des Sciences de RabatA. NOUNAH : Professeur lEcole Suprieure de Technologie de SalM. OUAMMOU : Professeur la Facult des Sciences et Techniques de MohammadiaH. OUDADESSE : Professeur la Facult des Sciences de RennesB. SALLEK : Professeur la Facult des Sciences de KnitraInvit :M. FERHAT : Ancien Professeur lUniversit Mohammed V-Agdal

Facult des Sciences, 4 Avenue Ibn Battouta, B. P. 1014, RP, Rabat- MarocTel : 212 (0) 37 77 18 34/35/38. Fax : 212 (0) 37 77 42 61, http://www.fsr.ac.ma
http://www.fsr.ac.ma/http://www.fsr.ac.ma/


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Avant - Propos

Ce travail a t ralis au Laboratoire de Chimie Physique Gnrale de la Facult des

Sciences de Rabat sous la direction de Monsieur le Professeur M .HAMAD en collaboration

avec Monsieur le Professeur H .CHAAIR.

Que Monsieur le Professeur M. HAMAD de la Facult des Sciences de Rabat, trouve

ici lexpression de ma profonde et sincre gratitude pour mavoir accueillie dans ce

laboratoire, pour lintrt constant quil a manifest pour mes recherches et les conseils

clairs quil ma prodigus pour le dveloppement de ce travail.

Que Monsieur le Professeur H. CHAAIR de la Facult des Sciences et Techniques de

Mohammedia croit ma reconnaissance pour mavoir guide avec patience dans mes

recherches, pour le savoir quil ma transmis, pour son soutien permanent et aussi pour son

amiti.

Je suis sensible lhonneur que me fait Monsieur A. ZRINEH, Professeur la Facult

des Sciences de Rabat, dassumer la fonction de Prsident du Jury dvaluation de cette

thse.

Je tiens remercier Monsieur M. FERHAT, Professeur lUniversit Mohammed V-

Agdal pour le grand honneur quil ma fait en acceptant dtre membre du Jury de cette

thse.

Je remercie vivement Monsieur A. NOUNAH, Professeur lEcole Suprieure de

Technologie de Sal et Monsieur M. OUAMMOU,, Professeur la Facult des Sciences et

Techniques de Mohammedia davoir accept dtre rapporteurs de ce travail ; je leur exprime

toute ma reconnaissance.

Mes vifs remerciements sadressent galement Monsieur K. DIGUA, Professeur la

Facult des Sciences et Techniques de Mohammedia pour ses discussions fructueuses et sa

disponibilit mon gard et Monsieur B. SALLEK, Professeur la Facult des Sciences de

Knitra, pour son apport scientifique prcieux et davoir accept de participer au Jury de

cette thse.


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Monsieur H. OUDADESSE, Professeur la Facult des Sciences de Rennes a accept

de faire partie du Jury de cette thse, je lui exprime toute ma gratitude.

Enfin, je souhaite associer ces remerciements tous ceux qui ont contribu la

ralisation de ce travail, en particulier tous les membres du laboratoire et tous les collgues

de la Facult des Sciences et Techniques de Mohammedia.


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SOMMAIRE

INTRODUCTION GENERALE.. 1

CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES PHOSPHATES DE CALCIUM... 6

I. LES PHOSPHATES DE CALCIUM .. 7

II. LES PHOSPHATES DE CALCIUM APATITIQUES... 8

III. LES APATITES BIOLOGIQUES 8

III.1. Constitution du tissu osseux 8

III.1.a. Los naturel .. 9

III.1.b. La dent.. 10

III.1.c. Le remodelage osseux 11

III.2. Composition chimique et structure de la phase minrale du tissu osseux 13

IV. DIFFERENTES METHODES DE SYNTHESE DE PHOSPHATE APATITIQUE 15

IV.1. Ractions en phase aqueuse. 15

IV.2. Ractions en phase solide 16

IV.3. Ractions en sels fondus. 16

IV.4. Ractions sol - gel. 16

IV.5. Raction liquide / solide : la voie des ciments 17

V. STRUCTURE CRISTALLINE DES PHOSPHATES DE CALCIUM DE SYNTHESEA USAGE BIOLOGIQUE... 17

V.1. L hydroxyapatite. 17

V.1.a. Etude cristallographique 18

V.1.b. Substitution de Ca2+ 20

V.1.c. Substitution de PO43-.... 20

V.1.d. Substitution de OH- .... 21


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V.2. Le phosphate tricalcique 21

V.2.a. Etude cristallographique. 22

CHAPITRE II : ETUDE DE LA SYNTHESE DE LHYDROXYAPATITE

STCHIOMETRIQUE PAR VOIE AQUEUSE 24

I. METHODE DE SYNTHESE PAR NEUTRALISATION... 26

I.1. Prsentation de la mthode de synthse par neutralisationde Ca(OH)2 par H3PO4 26

I.2. Etude des produits de synthse... 27

I.2.a. Etude par diffraction des rayons X. 27

I.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge. 31

I.2.c. Mesure de la surface spcifique 34

I.2.d. Conclusion 34

I.3. Prsentation de la mthode de synthse par neutralisationde CaCO3 par H3PO4 34

I.4. Etude des produits de synthse.. 35

I.4.a. Etude par diffraction des rayons X. 35

I.4.b. Etude par spectroscopie infrarouge. 38

I.4.c. Conclusion... 38

II. METHODE DE SYNTHESE PAR DOUBLE DECOMPOSITION.. 41

II.1. Prsentation de la mthode de synthse par double dcomposition partir de Ca(NO3)2 et (NH4)2HPO4. 41

II.2. Etude du produit de synthse. 41

II.2.a. Etude par diffraction des rayons X. 41

II.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge. 42

II.2.c. Conclusion... 42

II.3. Prsentation de la mthode de synthse par double dcomposition partir de CaCO3 et H3PO4... 43

II.4. Etude du produit de synthse. 44


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II.4.c. Mesure de la surface spcifique.. 47

II.4.d. Microscopie lectronique balayage . 47

II.4.e.Conclusion 49

CHAPITRE III: ETUDE DE LA SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUEAPATITIQUE PAR VOIE AQUEUSE . 50

I. METHODE DE SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE A PARTIRDE Ca(NO3)2 ET (NH4)2HPO4... . 52

I.1. Prsentation de la mthode de synthse. 52

I.2. Etude du produit de synthse. 53

I.2.a. Etude par diffraction des rayons X . 53

I.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge.. 54

II. METHODE DE SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE A PARTIR DECaCO3 ET H3PO4..... 55

II.1. Prsentation de la mthode de synthse 55

II.2. Etude du produit de synthse 56

II.2.a. Etude par diffraction des rayons X 56

II.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge 58

II.2.c. Mesure de surface spcifique. 59

II.2.d. Microscopie lectronique balayage. 59

II.2.e. Conclusion.. 59

CHAPITRE IV : ETUDE DE LA SYNTHESE DUN PHOSPHATE DECALCIUM APATITIQUE CARBONATE PAR VOIEHYDROTHERMALE. 61

I. CONDITIONS EXPERIMENTALES... 63

I.1. Description du dispositif exprimental 63

I.2. Protocole exprimental 64


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II. ETUDE DE LINFLUENCE DES PARAMETRES DE SYNTHESE SUR LASTOECHIOMETRIE DU PHOSPHATE DE CALCIUM 65

II.1.Influence du rapport atomique (Ca/P) initial . 65



II.2.Influence du temps de sjour... 69



II.3.Influence de la temprature de traitement .. 72



III. ETUDE PAR ANALYSE CHIMIQUE.. 75

IV. ETUDE PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE. 75

V. CONCLUSION 77

CHAPITRE V : MODELISATION ET OPTIMISATION DE LA SYNTHESE DELHYDROXYAPATITE 79

I. PRESENTATION DE LA METHODOLOGIE DE LETUDE 80

I.1. Choix des facteurs, centre dintrt, pas de variation et domaine exprimental. 80

I.1.a. Choix des facteurs. 80

I.1.b. Centre dintrt et pas de variation.. 81

I.1.c. Domaine exprimental. 81

I.2. Equation du modle 82

I.3. Construction de la matrice dexpriences .. 84

I.4. Construction de la matrice du modle. 86

II. RESULTATS EXPERIMENTAUX.... 86

III. MODELISATION DE LA REPONSE : RAPPORT MOLAIRE Ca/P DES PRODUITSLAVES.. 86


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III.1. Signification et effets des diffrents facteurs... 86

III.2. Analyse de la variance.. 90

III.3. Equation du modle.. 91

III.4. Validit du modle... 91

IV. OPTIMISATION ... 93

IV.1.Analyse des courbes disorponse... 93

IV.2. Dtermination des conditions optimales.. 97

IV.3. Vrification exprimentale.. 98

CHAPITRE VI: MODELISATION ET OPTIMISATION DE LA SYNTHESE DUPHOSPHATE TRICALCIQUE APATITIQUE.. 100

I. PRESENTATION DE LA METHODOLOGIE DE LETUDE .. 101

II. RESULTATS EXPERIMENTAUX... 104

III. MODELISATION. 104

IV. OPTIMISATION... 109

IV.1. Analyse des courbes disorponses. 109

IV.2. Dtermination des conditions optimales. 115

IV.3.Vrification exprimentale... 116

CHAPITRE VII: MODELISATION ET OPTIMISATION DE LA SYNTHESE DUNPHOSPHATE DE CALCIUM APATITIQUE CARBONATE 118

I. PRESENTATION DE LA METHODOLOGIE DE LETUDE 119

I.1. Facteurs choisis et leur domaine exprimental. 119

I.2. Matrice dexpriences et quation du modle 120

II. RESULTATS EXPERIMENTAUX 123

III. MODELISATION. 124

IV. OPTIMISATION... 126

IV.1. Analyse des courbes disorponse... 126


9/168

IV.2. Dtermination des conditions optimales. 132

IV.3. Vrification exprimentale.. 136

CONCLUSION GENERALE 138

ANNEXE : METHODES DE CARACTERISATION ET DANALYSES... 142

BIBLIOGRAPHIE. 148


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INTRODUCTION GENERALE


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La mthode des plans d'expriences n'est pas une technique nouvelle. Elle date en fait

du dbut du sicle avec les travaux de FISHER (1925). Les premiers utilisateurs de cette

mthode furent des agronomes qui ont vite compris l'intrt des plans d'expriences et,

notamment, la rduction du nombre d'essais lorsqu'on tudie de nombreux paramtres. En

effet, les essais en agronomie sont trs consommateurs de paramtres, l'tude du rendement

d'un bl ncessite la prise en compte du type de terrain, des diffrents traitements, de

l'ensoleillement, etc De plus, dans ce type d'exprimentation, il faut attendre un an avant de

connatre les rsultats. Il tait donc indispensable de rduire le nombre d'essais sans perdre en

prcision et d'tre capable de planifier d'une faon formelle la campagne d'essais. Mais cette

technique est reste relativement confidentielle et n'a pas russi pntrer de faon

significative les industries occidentales avant les annes soixante dix.

Une des raisons de ce manque d'intrt des industriels pour cette mthode tait

probablement l'aspect trop thorique de l'approche propose. Il a fallu les travaux du Docteur

TAGUCHI dans les annes soixante au Japon pour que les plans d'expriences pntrent nos

usines. TAGUCHI, avec le pragmatisme qui caractrise les japonais, a su simplifier et

clarifier l'utilisation des plans d'expriences. Son apport est considrable et la diffusion

grande chelle de ses travaux aux Etats-Unis date de la fin des annes soixante dix.

Aujourd'hui, les plans d'expriences reprsentent un outil indispensable tout industriel, du

plus petit au plus grand, soucieux d'amliorer la qualit de ses produits.

Depuis quelques annes, on sest aperu que la qualit dun produit (notion essentielle

dans le monde de lindustrie) dpendait principalement de la conception de ce produit ou plus

prcisment de la connaissance parfaite de cette conception, plutt que du produit fini lui-

mme. En effet, connatre parfaitement llaboration dun produit permet de prvoir son

volution au cours du temps en fonction des paramtres influents quils soient internes ouexternes.

Or, ces paramtres sont gnralement nombreux et difficilement modlisables par les

mthodes classiques de la physique. Le concepteur a donc besoin dune mthode

exprimentale , peu coteuse en expriences , qui lui permettra de mesurer et de

connatre linfluence de tous les paramtres et den dduire les plus influents. Ainsi, le plan

dexpriences reprsente loutil adquat qui permettra de rpondre lensemble de ces

questions.

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Dans le cas de la synthse du phosphate de calcium, ce phnomne dpend de

plusieurs paramtres savoir : le pH, la temprature, la concentration des ractifs, le rapport

molaire cation/anion, la dure de maturation, la vitesse dagitation, etc. En gnral, tout

phnomne Y dpend de nombreux paramtres xi (x1, x2, x3, x4) appels facteurs. Afin de

connatre linfluence du paramtrex1sur Y, la logique veut que lon fixe tous les autres (x2,

x3,x4) et que lon fasse varier seulx1. Il faudrait effectuer la mme opration pourx2,x3 etx4

pour voir leur influence sur le systme. Ainsi, si on dcide de prendre 3 points exprimentaux

par variable tudie, il faudrait raliser 34= 81 expriences, ce qui est considrable.

La question se poser est comment diminuer ce nombre dexpriences de manire

intelligente afin dobserver les mmes effets. Il nest dj pas possible de faire moins de 2

points dtudes (valeurs minimale et maximale du paramtre) par variable et il sembledifficile de rejeter linfluence de certaines variables au hasard (mthode des impasses), sans

savoir si cela a de limportance.

La solution ce problme est de faire varier lensemble des paramtres la fois. Cette

solution apporte plusieurs avantages si elle est applique correctement selon les six tapes

suivantes :

Etape 1 : L'objectif et sa mesure :

- quel est le problme ?

- comment dfinir clairement l'objectif que l'on veut atteindre ?

- par quelles mesures saurons-nous s'il est atteint ?

Etape 2 : Slection des paramtres, modalits et interactions :

- recherche des paramtres influents,

- choix des modalits donner aux paramtres,

- identification d'ventuelles interactions entre paramtres.Etape 3 : Construction du plan d'expriences :

- choix dans un catalogue d'une table,

- adaptation du plan au cas trait,

- planification de l'tude,

Etape 4 : Ralisation des essais :

- ralisation de tous les essais prvus,

- matriser la mesure.

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Etape 5 : Modlisation:

- degr de confiance accord aux rsultats,

- paramtres et interactions significatifs,

- tablissement du modle pour un seuil de signification.

Etape 6 : Optimisation :

- analyse graphique,

- dtermination des conditions optimales.

Nous nous proposons dans ce travail dappliquer cette mthodologie, en suivant les

diffrentes tapes afin de modliser et doptimiser la synthse de lhydroxyapatite, du

phosphate tricalcique apatitique et dun phosphate de calcium apatitique carbonat.

Pour ce faire, cette tude sarticule autour de sept chapitres, prsents en deux parties :

la premire traite de ltude de la synthse de chacun des produits prcits et la seconde

concerne la modlisation et loptimisation des synthses correspondantes.

PARTIE I

CHAPITRE I : Gnralits sur les phosphates de calcium, CHAPITRE II : Etude de la synthse de lhydroxyapatite par voie aqueuse, CHAPITRE III : Etude de la synthse du phosphate tricalcique par voie aqueuse, CHAPITRE IV : Etude de la synthse dun phosphate de calcium apatitique carbonat

par voie hydrothermale.

PARTIE II

CHAPITRE V : Modlisation et optimisation de la synthse de lhydroxyapatite, CHAPITRE VI : Modlisation et optimisation de la synthse du phosphate tricalcique, CHAPITRE VII : Modlisation et optimisation de la synthse dun phosphate de

calcium apatitique carbonat.

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PARTIE I

ETUDE DE LA SYNTHESE :

- DE LHYDROXYAPATITE STOECHIOMETRIQUE

- DU PHOSPHATE TRICALCIQUE APATITIQUE

- DU PHOSPHATE DE CALCIUM APATITIQUECARBONATE


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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LES PHOSPHATES DECALCIUM


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I. LES PHOSPHATES DE CALCIUM

Les phosphates de calcium constituent la phase minrale majeure des tissus durs des

vertbrs. Ds 1926, De Jong (1), en utilisant la diffraction des rayons X, a montr lanalogie

du minral osseux avec les minraux de phosphate de calcium possdant une structure

apatitique.

Pendant plus de vingt ans, les phosphates de calcium de synthse, choisis parmi les

biomatriaux existants, ont fait lobjet de plusieurs travaux fondamentaux qui ont dbouch

sur des applications biologiques et cliniques (2-6). Ils sont parmi les plus utiliss en chirurgie

osseuse ou dentaire lorsque des apports de matriaux de comblement sont ncessaires (8 -16).

En effet, leurs compositions chimiques sont proches de celle du tissu dur des os et des

dents, leurs proprits de biocompatibilit et de bioactivit les rendent utilisables comme

substitut osseux permettant un comblement lors de dfaut et une libration de principe

actif(17).

Les proprits de dissolution de ces phosphates de calcium dpendent de leurs

caractristiques physico - chimiques, en particulier le rapport molaire Ca/P (18), de la structure

cristallographique et de la surface spcifique. Ainsi, en fonction du rapport molaire Ca/P,nous pouvons dfinir plusieurs familles dorthophosphate de calcium.

Tableau I-1 : Diffrents phosphates de calcium (19).

Symbole Nom Formule Ca/PTTCP Phosphate ttracalcique Ca4(PO4)2O2 2,00

HAP Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 1,67

- TCP Phosphate tricalcique anhydre Ca3(PO4)2 1,50OCP Phosphate octocalcique Ca8H2(PO4)6,5H2O 1,33

DCPD Phosphate dicalcique dihydrat CaHPO4, 2H2O 1,00

DCPA Phosphate dicalcique anhydre CaH (PO4) 1,00

PPC Pyrophosphate de calcium Ca2P2O7 1,00

MCPM Phosphate monocalcique mono hydrat Ca (H2PO4)2, H2O 0,50

PCP Phosphate monocalcique anhydre Ca (H2PO4)2 0,50

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II. LES PHOSPHATES DE CALCIUM APATITIQUES

Parmi ces phosphates de calcium, les apatites constituent une famille de composs

ioniques dcrite par la formule chimique Me10(XO4)6(Y)2 dans laquelle Me est un mtal

bivalent (Ca2+, Sr2+, Ba2+, Pb2+ ...), XO4 un anion trivalent (PO43-, AsO4

3-, VO43- ...) et Y un

anion monovalent (F-, Cl-, Br-, I-, OH- ...). Les apatites cristallisent gnralement dans le

systme hexagonal (20-21). Une particularit de cette structure rside dans sa capacit former

des solutions solides et accepter un grand nombre de substituants anioniques et

cationiques (22-25).

Ainsi, les cations bivalents (Me2+) peuvent tre remplacs par d'autres cations

bivalents, mais galement par des cations monovalents (Na+

, K+

) ou trivalents (La3+

, Eu3+

,Ga3+ ...) (26-28).

Les anions XO43- peuvent galement tre substitus par des anions bivalents (CO3

2-,

SO42-, HPO4

2- ...) ou ttravalents (SiO44-) ( 24, 25, 29).

Enfin, les groupements Y-, peuvent aussi tre substitus par des ions bivalents (CO32-,

O2-, S2- ...) et / ou par des lacunes (29, 30). Les mcanismes de compensation de charges mis en

jeu lorsque des ions de valences diffrentes coexistent sur un mme site, impliquent desmodifications structurales et la cration de lacunes cationiques (sites Me) et / ou anioniques

(sites Y). Aucune apatite possdant des lacunes sur les sites XO4 n'a cependant t observe.

III. LES APATITES BIOLOGIQUES

III.1. Constitution du tissu osseux

Le tissu osseux naturel est assimilable un matriau composite constitu de fibres

organiques (le collagne) inscrites dans une matrice minrale qui a t identifie comme tant

un phosphate de calcium apatitique poly-substitu (31). La rpartition massique des deux

phases dans le tissu est variable suivant la partie du corps considre et a ainsi amen

distinguer deux types de tissus osseux : los et la dent. Une autre particularit des tissus

osseux rside dans leur aptitude constamment voluer au cours de leur existence afin de

sadapter le mieux possible aux contraintes auxquelles ils sont soumis (mcaniques ou autres).

Ce phnomne, engendr par lactivit cellulaire, est appel remodelage osseux .

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III.1.a. Los naturel

La composition massique moyenne de los naturel est la suivante : 60% de phase

minrale, 15% de phase organique et 25% deau. La rsistance et la lgret de los

sexpliquent par son architecture associant deux types de macrostructures osseuses.

Figure I-1 : Coupe longitudinale schmatique d'un os long (32).

La rsistance aux contraintes mcaniques est assure par un os dense, appel os

cortical, localis en surface du tissu (Figure I-1). Ses caractristiques mcaniques sont

donnes au tableau I-2.

Tableau I-2 : Proprits mcaniques de l'os cortical, de l'os trabculaire, de la dentine et de

l'mail dentaire.

Rsistance la rupture (MPa) Module d'lasticit (MPa)

Compression Tension Flexion Rfrence Compression Rfrence

Os cortical 167 122 168 11 (33) 15450 (37)

Ostrabculaire

9,1 1,3 (34) 84 14 (34)

Dentine 297 (35) 17500 1500 (35)

Email 382 4 (36) 81000 3000 (36)

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Sa microstructure peut tre dcrite comme un empilement lamellaire compact

d units de construction appeles ostons (Figure I-2).

Figure I-2 : Localisation des ostons dans l'os cortical.

L'oston est un canal neurovasculaire dont la paroi est forme de plusieurs couches

concentriques de fibres de collagnes sur lesquelles se dveloppent les cristaux dapatites. Les

diffrentes couches ont une paisseur comprise entre 3 et 7 m (39). Los cortical reprsente

environ 80% de la masse osseuse chez ladulte, mais, de par sa structure dense et compacte, il

nintervient que trs peu dans les changes mtaboliques. Cette deuxime fonction du tissu

osseux est assure par los trabculaire (Figure I-1). Ce dernier occupe la part la plusvolumineuse du tissu mais ne reprsente que 20% de sa masse. Sa structure macroporeuse

tridimensionnelle offre une surface dchange mtabolique importante.

III.1.b. La dent

Les dents ont toutes une mme structure de base. Outre la pulpe dentaire qui est un

tissu mou trs innerv et vascularis, la dent se compose de deux tissus osseux distincts : la

dentine et lmail (Figure I-3).

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Figure I-3 : Coupe transversale schmatique d'une molaire.

La dentine (ou ivoire) recouvre et protge la pulpe dentaire. Elle se compose en masse

de 75% de phase minrale, de 20% de phase organique et de 5% deau. Cest le deuxime

tissu le plus dur de lorganisme. Cest un tissu mcaniquement isotrope ; son module

dlasticit est comparable celui de los cortical et sa rsistance en compression lgrement

suprieure (Tableau I-2).

Lmail dentaire recouvre la dentine au niveau de la couronne. Cest un tissu osseux

quasiment minral. Il ne contient que 0,5% en masse de phase organique et 2% deau. Il est le

tissu le plus dur de lorganisme avec un module dlasticit et une contrainte rupture

suprieurs ceux de la dentine.

La microstructure de lmail dentaire correspond lempilement compact de

"colonnes" de 3 10 m de diamtre sur 50 150 m de hauteur constitues de cristallites

lamellaires dapatites. Contrairement tous les autres tissus osseux, lmail ne contient pas de

collagne et ne se rgnre pas une fois endommag.

III.1.c. Le remodelage osseux

Durant la vie, le tissu osseux subit un remodelage continu. La finalit de ce

remodelage est, dune part, dassurer la rparation dinfimes dgts du squelette et, dautre

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part, de contrler le taux de calcium relargu dans lorganisme par change mtabolique. Le

remodelage est d laction couple de deux cellules osseuses distinctes : les ostoclastes et

les ostoblastes ; les premires rsorbent le tissu et les secondes le reforment. La figure I-4

prsente une suite chronologique de schmas retraant le principe daction des cellules mises

en jeu lors de la rsorption et le remplacement dune unit de remodelage.

Figure I-4 : Principe d'action des cellules osseuses (39).

Au repos , la surface de los est recouverte de cellules dites bordantes de forme

allonges et trs fines (A) (Figure I-4). Au cours de la phase dactivation (B), des cellules

mononucles, percent le lit de cellules bordantes et se groupent sur une surface minralisedu tissu. La phase de rsorption (C) est caractrise par lexcavation dun petit volume de

tissu osseux par les ostoclastes ns de la fusion des cellules mononucles. Les ostoclastes

sont des cellules polynucles qui, en librant des protons, rsorbent le tissu minralis par

dissolution. Aprs rsorption, des cellules mononucles prparent la surface de la lacune (D)

larrive des ostoblastes (cellules mononucles denviron 30 m de diamtre). Ces

dernires engendrent la formation d'un jeune tissu minralis (E). Le processus se poursuit

alors jusqu ce que los jeune ait entirement combl la lacune (F).

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III.2. Composition chimique et structure de la phase minrale du tissu

osseux

Le tableau I-3 prsente les compositions chimiques lmentaires des phases minrales

correspondant aux trois tissus osseux prsents prcdemment.

Tableau I-3 : Composition chimique (en pourcentages massiques) des phases minrales de

l'mail, de la dentine et de l'os (19).

Elment Email Dentine Os

Ca 37,6 40,3 36,6

P 18,3 18,6 17,1

CO2 3,0 4,8 4,8

Na 0,7 0,1 1,0

K 0,05 0,07 0,07

Mg 0,2 1,1 0,6

Sr 0,03 0,04 0,05

Cl 0,4 0,27 0,1

F 0,01 0,07 0,1

Rapport molaire Ca/P 1,59 1,67 1,65

Les donnes prsentes dans le tableau I-3 montrent les nombreux minraux quecontiennent les phases minrales des tissus osseux. Les quatre lments qui y sont

prpondrants sont le calcium, le phosphore (PO43-, HPO4

2-), le carbone (CO32-) et l'oxygne

(O2-, OH-, PO43-, HPO4

2-). Les teneurs en sodium, magnsium et chlore varient de manire

importante suivant le tissu considr. Les autres lments, tels que le fluor, le strontium et le

potassium, font office de traces.

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Legros, par des analyses structurales et chimiques de la phase minrale de l'os

priostique animal (comparable l'os cortical) a pu dcrire ce dernier par le modle

suivant (32, 40) :

Cette formule correspond celle dune apatite phosphocalcique poly-substitue dans

laquelle le calcium sinscrit dans les sites Me de la structure. La non stchiomtrie, illustre

par la prsence de lacunes (notes x) sur les sites Me et Y, est engendre par la poly

substitution des sites XO4 par des espces de valences diffrentes. En effet, ces sites sontoccups plus de 70% (molaire) par des ions phosphate trivalents ; les 30% restant tant

combls soit par des ions carbonate, soit par des ions hydrognophosphate, tous deux

bivalents. Les sites Y sont galement principalement occups par deux ions de valences

diffrentes : carbonate et hydroxyde.

Cependant, comme le mettent en vidence les donnes prsentes ci-dessus (Tableau

I-3), chaque tissu possde sa propre composition chimique et cette dernire peut voluer au

sein d'un mme tissu. Il a galement t montr que les diffrentes teneurs ioniques au sein

des tissus osseux voluent avec l'ge du sujet (32). Ds lors, les htrognits

microstructurales et chimiques dont font preuve les phases minrales des tissus osseux

rendent leur modlisation, et fortiori, leur synthse exacte utopique.

Par ailleurs, les possibilits de reconstruction osseuse chez lhomme sont limites et

les pertes de tissu, quelles soient involontaires ou consquence dune thrapie curatrice,

soulvent le problme de leur comblement. La chirurgie orthopdique recoure alors la greffeosseuse. Toutefois, les difficults et les complications de prlvement lies aux greffes

autologues dune part, et les risques potentiels de transmissions virales soulevs par les

allogreffes et xnogreffes animales dautre part, ont amen envisager limplantation de

substituts osseux synthtiques do la ncessit dutiliser les phosphates de calcium

synthtiques.

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24/168

IV. DIFFERENTES METHODES DE SYNTHESE DE PHOSPHATE

APATITIQUE

La reproductibilit, la biocompatibilit et labsence de toxicit constituent les

principaux points du cahier des charges que doit remplir un substitut osseux de synthse.

Plusieurs types de biomatriaux rpondent ces contraintes (polymres, mtaux, bioverres,

cramiques...) et sont aujourdhui utiliss sous diffrentes formes en fonction de lapplication

vise (granules, pices massives ou ciment pour le comblement osseux, dpts denses ou

poreux pour le scellement de prothses...).

Les phosphates de calcium suscitent un vif intrt en tant que substituts osseux grce

une composition chimique voisine de celle de la phase inorganique du tissu calcifi. Ilsforment une famille de composs chimiques de structures et de compositions variables. Ils

peuvent apparatre sous diffrentes formes : hydrates, hydroxydes ou anhydres. Ils sont

habituellement dcrits par leur rapport molaire Ca/P.

Plusieurs grandes voies de synthse sont utilises pour la prparation des apatites : la

prcipitation par voie aqueuse, la raction solide - solide (voie sche), la raction en sels

fondus, le procd sol gel et la voie des ciments.

IV.1. Ractions en phase aqueuse

Les synthses en phase aqueuse se font selon deux procds diffrents : la mthode par

double dcomposition et la mthode par neutralisation. Ces procds sont actuellement

utiliss pour la production industrielle dapatite (41).

La mthode par double dcomposition (17, 42-46) consiste ajouter de faoncontrle une solution du sel de cation Me dans une solution du sel de lanion XO4. Le

prcipit est ensuite lav et sch. Cette technique permet galement dobtenir des

apatites mixtes (contenant deux cations diffrents) avec une matrise du rapport

Me1/Me2. Les cations sont introduits simultanment dans le racteur avec le rapport

Me1/Me2 dsir, cela permet dviter une sgrgation lors de la prcipitation. Les

principaux inconvnients de cette mthode viennent de sa mise en uvre qui ncessite

beaucoup de matriel et de sa vitesse de synthse qui est plutt lente.

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La mthode par neutralisation consiste neutraliser une solution de lait dechaux en y ajoutant une solution dacide phosphorique. Cette raction permet

dobtenir rapidement de grandes quantits dhydroxyapatite phosphocalcique avec peu

de matriel (42, 47). Il est galement possible de synthtiser des fluorapatites.

IV.2. Ractions en phase solide

La synthse par raction solide - solide consiste chauffer un mlange ractionnel,

constitu des divers sels des cations et des anions, dans un rapport Me/XO4 gal 1,67. Ce

mlange doit tre parfaitement homogne pour permettre une raction totale. La synthse

dune fluorapatite phosphocalcique peut tre effectue, par exemple, partir de phosphate

tricalcique et de fluorure de calcium selon la raction suivante(48)

:

3 Ca3(PO4)2 + CaF2 Ca10(PO4)6F2

Cette raction s'effectue 900 C pendant plusieurs heures.

Dans le cas dune raction solide/gaz, le gaz provient soit de la sublimation dun sel solide

contenu dans le mlange ractionnel (la synthse peut alors seffectuer dans une enceinte

ferme), soit par un apport extrieur sous forme dun balayage du gaz ractif par exemple.

IV.3. Ractions en sels fondus

Cette mthode permet de se rapprocher des conditions de synthse de certaines

apatites naturelles. Des phosphates mtalliques structure apatitique ont ainsi t prpars.

On a pu ainsi obtenir des cristaux qui sont le plus souvent mlangs lexcs de ractifs de

dpart (49, 50).

IV.4. Ractions sol - gel

Le procd sol - gel est bas sur la polymrisation de prcurseurs organomtalliques

de type alcoxydes M(OR)n. Aprs une hydrolyse contrle de cet alcoxyde en solution, la

condensation des monomres conduit des ponts oxo puis un oxyde organique. La

polymrisation progressive de ces prcurseurs forme des oligomres puis des polymres en

augmentant ainsi la viscosit. Ces solutions polymriques conduisent des gels qui

permettent une mise en forme aise des matriaux (films denses et transparents, poudres ultra- fines, cramiques, ...) avec de nombreuses applications technologiques (51-53).

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IV.5. Raction liquide / solide : la voie des ciments

Les ciments phosphocalciques sont des ciments hydrauliques minraux qui font prise

grce des ractions acido-basiques entre des phosphates de calcium caractre acide et des

phosphates de calcium caractre basique pour donner une hydroxyapatite phosphocalcique

en phase unique (54, 55) .

V. STRUCTURE CRISTALLINE DES PHOSPHATES DE CALCIUM DE

SYNTHESE A USAGE BIOLOGIQUE

V.1. Lhydroxyapatite

Les apatites phosphocalciques qui entrent dans la constitution des tissus calcifis

peuvent tre dcrites partir de l'hydroxyapatite.

L'hydroxyapatite stoechiomtrique a pour formule chimique :

Ca10(PO4)6(OH)2

Elle cristallise dans le systme hexagonal selon le groupe d'espace P63/m(3).

La dimension de la maille lmentaire de l'hydroxyapatite est :

a = b = 9,432

c = 6,881 .

La maille contient 10Ca2+, 6PO43- et 2OH-. Le rapport atomique Ca/P de

l'hydroxyapatite phosphocalcique stchiomtrique est 1,67. Les dix Ca2+ sont dfinis par Ca(I) ou Ca (II) dpendant de leur environnement. Quatre ions calcium occupent la position de

Ca (I) en deux couches situes aux niveaux 0 et 1/2 de la maille. Les six ions restants

occupent la position de Ca (II) en deux couches : trois situs aux niveaux 1/4 et trois autres

aux niveaux 3/4. Les six ions ttradriques PO43- se trouvent en deux couches o ils sont

situs aux niveaux 1/4 et 3/4 de la maille. Les deux ions OH- se situent approximativement

la mme hauteur que les plans contenant les atomes Ca (II) (1/4 et 3/4). Si nous considrons la

structure paralllement l'axe c, les ions PO43-

constituent des colonnes, lies les unes auxautres. En fait un atome de phosphore est li trois atomes d'oxygne d'une colonne et un

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atome d'oxygne d'une colonne voisine. Les assemblages d'ions PO43- sont sous la forme de

nid d'abeille qui constitue l'armature du rseau et fournit une grande stabilit la structure de

l'apatite. Cet assemblage est parallle l'axe c et contient des tunnels ouverts.

V.1.a. Etude cristallographique

Le contenu de l'unit asymtrique, en tenant compte des multiplicits des diffrentes

positions de Wyckoff occupes par les atomes, conduit un contenu de maille de dix cations

calcium, six anions phosphores, deux cations hydrognes et vingt six anions oxygnes

(oxydes). Ceci donne une stchiomtrie en accord avec la formulation Ca10(PO4)6(OH)2. Les

anions phosphores occupent des sites de coordinence quatre, gnrs par l'arrangement de

quatre anions oxygne premiers voisins (Figure I-5). La distance moyenne < dP-0> = 1,467 est infrieure la somme des rayons ioniques de ces deux lments RI (P-O) = 1,750 .

Ceci est conforme aux distances attendues pour l'anion (PO4)3-.

Figure I-5 : Site ttradrique des anions phosphores (55).

La maille lmentaire de l'hydroxyapatite est reprsente sur la figure I-6. La structure

peut alors se dcrire comme un arrangement d'anions (PO4)3- stabilis par des cations Ca2+.

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Figure I-6 : Maille lmentaire(55) de Ca10(PO4)6(OH)2.

On remarquera la prsence des anions (OH-) localiss sur l'axe cristallographique c

(Figure I-7).

Figure I-7 : Maille lmentaire(55) de Ca10(PO4)6(OH)2 projection sur le plan (010).

Les tunnels jouent un rle trs important dans les proprits physico-chimiques des

apatites. Du fait de l'existence des tunnels, les apatites peuvent se comporter soit comme des

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changeurs d'ions, soit comme des composs dans lesquels diffrents ions peuvent se

substituer.

Ces substitutions induisent une lgre variation du diamtre moyen des tunnels et

modifient ainsi les proprits des apatites. Les diffrentes apatites drivent de l'hydroxyapatite

par la substitution totale ou partielle des cations et des anions par d'autres cations ou anions ou

des lacunes. Toutefois, d'aprs la formule gnrale des apatites, les anions XO43- ne peuvent

pas tre remplacs par des lacunes. Les diffrentes possibilits de substitutions sont

rpertories ci-dessous :

Tableau I-4 : Substitution possible dans la maille apatitique(55).

V.1.b. Substitution de Ca2+

Mg2+ et Na+ sont des ions trs abondants dans les tissus biologiques. L'incorporation

de Mg2+ dans la structure apatitique est limite mais elle peut diminuer le paramtre a dans la

maille ainsi que le taux de cristallinit. En raison des similitudes de taille atomique entre Ca2+

et Na+, l'incorporation de ce dernier ne change pas les paramtres cristallins. Par contre, la

substitution par des carbonates diminue le paramtre a et augmente lgrement le paramtre c

de l'apatite.

V.1.c. Substitution de PO43-

CO 32- conduit un minral dfini comme apatite de type B qui est la plus importante

dans les apatites biologiques. Elle se produit lors de la prparation des apatites soit par

prcipitation directe, soit par hydrolyse des autres phosphates de calcium en prsence de

carbonate. Le taux d'incorporation de carbonate dpend directement de la prsence des autres

cations. Par exemple, la prsence de Na+ augmente le taux de substitution, tandis que Sr2+ le

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diminue. Cette substitution diminue la taille et la cristallinit du cristal et augmente donc sa

solubilit.

V.1.d. Substitution de OH-

Gnralement les anions qui se substituent aux ions OH- se disposent dans les tunnels

de l'apatite. CO32- peut entrer dans les tunnels des apatites synthtiques prpares haute

temprature (1000 C) ou dans certaines apatites biologiques. Il y a alors augmentation du

paramtre a et diminution du paramtre c. La substitution des OH- par F- augmente la stabilit

structurale et la cristallinit et diminue donc la solubilit des cristaux d'apatite. Elle peut

galement diminuer le paramtre a sans changer le paramtre c. Lorsqu'un Cl- entre dans les

tunnels, le paramtre a augmente et c diminue fortement.

V.2. Le phosphate tricalcique (TCP)

Le phosphate tricalcique (Ca3(PO4)2) est caractris par un rapport atomique Ca/P de

1,5 et existe sous quatre formes :

- la forme stable entre 1120 et 1470 C et mtastable temprature ambiante,

la forme stable au-dessus de 1470 C,

- la forme stable en dessous de 1120 C, et

- la forme obtenue sous haute pression.

La forme ne peut pas tre directement synthtise par prcipitation en milieux

aqueux. Elle est obtenue par chauffage de phosphate de calcium amorphe (ACP) entre 800 et

1000 C(56, 57)

.

Le TCP cristallise dans le systme trigonal (repre hexagonal)

(groupe spatial R3c)(58);

a = b = 10,439 ;

c = 37,375 .

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La forme peut tre obtenue par dcomposition thermique de l'ACP une temprature

suprieure 1200 C suivie d'une trempe. Il est galement possible de synthtiser du TCP

par chauffage d'un mlange intime de solides comme CaHPO4 et CaCO3 1000 C pendant

une heure. Celui-ci port au-dessus de 1200 C permet galement d'obtenir la forme . L'

TCP cristallise dans le systme monoclinique

V.2.a. Etude cristallographique

Le contenu de l'unit asymtrique, en tenant compte des multiplicits des diffrentes

positions de Wyckoff occupes par les atomes, conduit une stchiomtrie en accord avec la

formulation Ca3(PO4)2. Les anions phosphores occupent des sites de coordinence quatre

gnrs par l'arrangement de quatre anions oxygne premiers voisins. La distance moyenne< d P - 0> = 1,535 est conforme aux distances attendues pour l'anion (PO4)

3-.

Figure I- 8 : Maille lmentaire (55)de Ca3(PO4)2.

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Figure I- 9 : Maille lmentaire(55) de Ca3(PO4)2.

La prsence de TCP pur n'a pas t observe dans les tissus biologiques. Par contre,

la structure du phosphate tricalcique est telle qu'il peut se produire des substitutions d'ions

Ca2+ par d'autres ions bivalents tel que Mg2+ (59, 60). Ces substitutions stabilisent la structure

cristalline du TCP et entranent une diminution des paramtres a et c de la maille

lmentaire. La plupart des phosphates tricalciques rencontrs dans les milieux biologiques

sont ceux substitus en magnsium, ils sont alors appels whitlockite (TCMP) et ont t

observs dans de nombreuses calcifications pathologiques et dans les caries arrtes de la

dentine.

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CHAPITRE II

ETUDE DE LA SYNTHESE DE LHYDROXYAPATITESTCHIOMETRIQUE PAR VOIE AQUEUSE


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Ce chapitre sera consacr la description dtaille de la synthse par voie aqueuse de

lhydroxyapatite phosphocalcique partir du carbonate de calcium CaCO3 et lacide

phosphorique H3PO4.

C'est Patat en 1976 (61) qui, en tudiant les architectures poreuses capables d'tre

colonises par le tissu osseux, dcouvrit les possibilits d'utilisation du corail naturel comme

substitut de greffons osseux. Le corail est compos pour plus de 97 % de carbonate de

calcium sous sa forme cristalline d'aragonite et d'une fraction rduite d'oligo-lments et

d'acides amins.

En collaboration avec Guillemin (62, 63), il effectua les premires tudes exprimentales

sur ce biomatriau. Mais ces expriences, ont montr un certain rejet du corail par lespatients ; ce matriau dorigine naturelle comporte des traces de vie, des protines, quil faut

liminer, et une mauvaise purification peut entraner des ractions inflammatoires.

Lquipe BIOMATERIAUX de lUniversit de Rennes 1, compose de physico-

chimistes et de biologistes a mis au point des matriaux synthtiques tel que le carbonate de

calcium CaCO3 sous forme d'aragonite, pure ou dope(64) , comme remplacement du corail

naturel, pour des applications en chirurgie orthopdique ou maxillo-faciale. Lvaluation de la

cytotoxicit de matriaux base daragonite synthtique CaCO3 pure ou dope au strontium

na mis en vidence aucun potentiel cytotoxique pour ces matriaux (65).

Cest pour ces proprits biologiques, sa disponibilit et son cot modr que nous

avons utilis le carbonate de calcium CaCO3 commercial pour la synthse de lhydroxyapatite

phosphocalcique stoechiomtrique de rapport molaire Ca/P = 1,67.

Rappelons que plusieurs grandes voies de synthse sont utilises pour la prparation

des apatites : la prcipitation en voie aqueuse, la raction solide - solide, la raction en sels

fondus, le procd sol gel et la voie des ciments.(voir chapitre I)

Les synthses en phase aqueuse se font selon deux procds diffrents : la mthode par

neutralisation et la mthode par double dcomposition. Ces procds sont actuellement

utiliss pour la production industrielle dapatite (41).

- La premire dite de neutralisation, consiste neutraliser une solution de lait dechaux en y ajoutant une solution dacide phosphorique.

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- La seconde dite de double dcomposition consiste ajouter de faon contrleune solution du sel de cation Me dans une solution du sel de lanion XO4.

I. METHODE DE SYNTHESE PAR NEUTRALISATION

Cette mthode de synthse a t mise en uvre par Wallayes (48) et amliore par

Trombe (42). Rcemment dautres auteurs sintressent ce type de raction partir de lacide

phosphorique et lhydroxyde de calcium (47,66). En effet, Ca(OH)2 prsente des caractristiques

convenables pour la mise au point dune telle synthse en particulier pour sa basicit. Son

attaque par lacide conduit la libration des ions OH- en solution induisant ainsi la basicit

ncessaire au milieu ractionnel.

I.1. Prsentation de la mthode de synthse par neutralisation de

Ca(OH)2 par H3PO4

Cette mthode de synthse de lhydroxyapatite consiste neutraliser rapidement, en

prsence de quelques gouttes de phenolphtaleine servant dindicateur de fin de raction une

solution aqueuse de calcium par une solution aqueuse de phosphate.

- La solution aqueuse de calcium (0,1 M) est prpare partir de carbonate decalcium calcin au moufle 900 C et mis en suspension rapidement dans leau

distille.

- La solution aqueuse de phosphate (0,06 M) est prpare par dilution de lacidephosphorique concentr dans de leau distille.

La raction mise en jeu est la suivante :

10 Ca(OH)2 + 6 H3PO4 Ca10(PO4)6(OH)2 + 18 H2O

La suspension ainsi obtenue est maintenue sous agitation puis porte la temprature

dtude dsire. La neutralisation est acheve lorsque la coloration rose de lindicateur color

reste stable pendant une demi-heure.

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Cette synthse a t ralise deux tempratures diffrentes : la temprature

ambiante (exprience A) et la temprature dbullition de la suspension (exprience B).

Le prcipit obtenu est alors spar de la solution par filtration, lav leau chaude

puis une partie est sche 80 C pendant une nuit, lautre partie est calcine 900 C

pendant deux heures.

La caractrisation par diffraction des rayons X, spectroscopie dabsorption infrarouge,

analyse chimique et la mesure des surfaces spcifiques a t ralise sur les chantillons lavs,

schs 80 C et galement sur les chantillons lavs, calcins 900 C.

I.2. Etude des produits de synthse

I.2.a. Etude par diffraction des rayons X

Le diagramme des rayons X du produit prcipit la temprature ambiante et sch

80 C (A1) prsente des raies larges et diffuses correspondant une hydroxyapatite mal

cristallise. Dautre part, le diagramme des rayons X du mme produit aprs calcination lair

pendant deux heures (A2) montre des raies fines correspondantes deux phases que nous

avons identifies lhydroxyapatite et au phosphate tricalcique (Figure II-1).

Ltude par diffraction des rayons X (Figure II-2) du produit synthtis la

temprature dbullition puis sch 80 C (B1) montre sur le diagramme la prsence de raies

larges caractristiques de la structure apatitique. Par ailleurs, ltude par diffraction des rayons

X du mme produit mais calcin 900 C lair pendant deux heures (B2) indique la

prsence dune phase unique identifie lhydroxyapatite. En effet, les distances

interrticulaires releves sur le diagramme sont comparables celles indiques dans le tableau

II-1. Les valeurs des paramtres cristallographiques a et c calcules sont identiques celles

donnes par la littrature.

a = 9,421 c = 6,880

La calcination de cet chantillon nindique la prsence daucune phase supplmentaire

celle de lhydroxyapatite, telle que le phosphate tricalcique ou la chaux. Le test la

phnolphtalene ralis immdiatement aprs calcination, ne montre aucune coloration ce quijustifie labsence de chaux.

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+ + + + + + + +25 30 35 40 45 50 55 60 2

Figure II-1 : Diagrammes de diffraction des rayons X.

A1 : produit prcipit la temprature ambiante et sch 80 C

A2 : produit prcipit la temprature ambiante, sch 80 C et calcin

900 C lair pendant deux heures

* : prsence de la phase de TCP

A2

A1

*

*

*

28


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+ + + + + + + +25 30 35 40 45 50 55 60 2


B1

: produit prcipit la temprature dbullition et sch 80 C

B2 : produit prcipit la temprature dbullition, sch 80 C et calcin


B2

B1

29


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Tableau II-1: Distances interreticulaires et intensits des raies de diffraction delhydroxyapatite phosphocalcique (67).

d () I/I0 h k l d () I/I0 h k l

8,168 26 100 1,543 3 240

5,263 7 101 1,532 3 331

4,716 4 110 1,506 3 241

4,084 6 200 1,502 4 124

3,890 10 111 1,475 6 502

3,512 3 201 1,467 2 510

3,440 42 002 1,454 6 304

3,171 9 102 1,451 7 323

3,087 14 210 1,434 6 511

2,817 100 211 1,429 4 332

2,779 43 112 1,407 2 413

2,723 55 300 1,349 2 512

2,631 24 202 1,311 3 431

2,532 4 301 1,315 2 404

2,298 5 212 1,308 2 5202,265 20 130 1,285 3 521

2,231 2 221 1,280 3 243

2,152 5 131 1,257 4 215

2,063 4 113 1,251 2 342

1,945 24 222 1,245 2 610

1,892 12 132 1,237 5 144

1,873 4 230 1,235 4 513

1,841 26 213 1,222 4 252

1,808 15 321 1,158 3 433

1,782 10 410 1,148 2 244

1,756 11 402 1,146 2 006

1,720 12 004 1,114 3 116

1,645 5 322 1,109 2 235

1,611 3 313 1,105 4 352

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40/168

I.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge

Le spectre dabsorption du compos (A1) montre la prsence de toutes les bandes

principales dune apatite faiblement hydroxyle, accompagnes de bandes trangres telles

que celles vers 875 cm-1 associs aux ions hydrognophosphate (HPO42-). La bande largesitue entre 1450 et 1500 cm-1de faible intensit est attribue aux ions carbonate adsorbs la

surface (Figure II-3).

Par ailleurs, la calcination lair 900 C pendant deux heures de ce mme

chantillon (A2) rvle quil contient une quantit significative du phosphate tricalcique.

Dautre part, le spectre associ au produit (B1) prpar la temprature dbullition

lav et sch 80 C montre uniquement la prsence de toutes les bandes caractristiques

dune hydroxyapatite phosphocalcique (Figure II-4). Le spectre du mme compos calcin

lair pendant deux heures 900 C (B2) ne dcle aucune bande supplmentaire celles

caractristiques dune hydroxyapatite phosphocalcique pure dont les positions et les

attributions des diffrentes bandes sont regroupes dans le tableau II-2.

Tableau II-2 : Position, intensit et attribution des bandes dabsorption infrarouge de

lhydroxyapatite phosphocalcique.Position des bandes (cm-1)

Intensits desbandes

Attributions

474 f PO43- (2 : dformation symtrique)

571 - 601 F PO43- (4 : dformation antisymtrique)

630 ep OH- (L : bande de libration)

962 m PO43- (1 : longation symtrique)

1046 1087 F PO43-

(3 : longation antisymtrique)

1630 f H2O (dformation des molcules deaulies par des ponts H)

3560 ep OH- (s : longation symtrique)

3000 3400 m H2O (longation symtrique des molculesdeau lies par des ponts H)

F : bande de forte intensit, f : bande de faible intensit,

m : bande de moyenne intensit, ep : paulement.

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cm- + + + + + + + +

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

A1

A2

Figure II-3 : Spectres dabsorption infrarouge.

A1 : produit prcipit la temprature ambiante et sch 80 C

A2 : produit prcipit la temprature ambiante, sch 80 C et calcin


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cm- + + + + + + + +

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

B1

B2


B1 : produit prcipit la temprature dbullition et sch 80 C

B2 : produit prcipit la temprature dbullition, sch 80 C et calcin

900 C lair endant deux heures.

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43/168

I.2.c. Mesure de la surface spcifique

Lactivit catalytique des chantillons A1 et B1 a t mesure laide de la mthode

B.E.T. sur uniquement les produits lavs et schs 80 C pendant une nuit.

S(A1) = 151,95 m2 g-1

S(B1) = 77,53 m2 g-1

Lanalyse de ces rsultats montre que les apatites obtenues ont des surfaces

spcifiques leves.

I.2.d. Conclusion

Nous avons prpar par cette mthode une hydroxyapatite phosphocalcique

stchiomtrique et stable 900 C. Gnralement ce type de prparation conduit une

hydroxyapatite mlange de la chaux. En effet, la prparation de lhydroxyapatite

stchiomtrique ncessite un contrle rigoureux des conditions exprimentales, exemple le

pH, la temprature et les quantits de ractifs de base (dfaut ou excs en ractif existant dans

le milieu).

Llimination de la chaux peut tre faite par la calcination des produits 1000 C

suivie dun lavage avec de leau chaude. Cette opration (calcination lavage) doit tre

rpte plusieurs fois afin dliminer totalement la chaux.

I.3. Prsentation de la mthode de synthse par neutralisation de

CaCO3 par H3PO4

Dans cette partie, nous adoptons, pour prparer une hydroxyapatite, la mthode de

neutralisation en utilisant comme ractif le carbonate de calcium et lacide phosphorique.

Cette mthode est similaire celle dcrite dans la partie prcdente, la seule

diffrence que dans ce cas la neutralisation est ralise entre une solution aqueuse (0,1M) de

carbonate de calcium CaCO3 sch 100 C pendant une nuit et une solution aqueuse (0,06

M) dacide phosphorique H3PO4.

34


44/168

Une fois laddition termine, la suspension est maintenue la temprature dtude

dsire. La fin de la raction est marque par une coloration rose stable pendant une demi-

heure de la phnolphtalne.

Nous avons ralis deux synthses de produits, lune temprature ambiante (C) et

lautre la temprature dbullition de la solution (D). Les solides forms, ont t filtrs,

lavs leau chaude, schs 80 C puis une partie est calcine 900 C pendant deux

heures.

La caractrisation par diffraction des rayons X et par spectroscopie infrarouge a t

ralise sur les quatre chantillons.

I.4. Etude des produits de synthse


Le diagramme de diffraction des rayons X du produit prcipit la temprature

ambiante et sch 80 C pendant une nuit (C1) prsente des raies larges et diffuses

correspondant celles dune structure apatitique et des raies fines qui sont identifies au

carbonate de calcium CaCO3 (calcite) (Figure II-5).

La calcination de ce mme produit 900 C lair pendant deux heures (C2) conduit

galement la formation de deux phases qui sont dans ce cas lhydroxyapatite et de la chaux

CaO.

Le diagramme de diffraction des rayons X du produit prcipit la temprature

dbullition et sch 80 C pendant une nuit (D1) prsente des raies mieux dfinies que dans

le cas du produit (C1). On note galement la formation de deux phases qui ont t identifies lhydroxyapatite et la calcite CaCO3 (Figure II-6).

La calcination de ce produit 900 C lair pendant deux heures (D2) rvle la

prsence de deux phases qui sont lhydroxyapatite bien cristallis et de la chaux sous forme de

CaO.

35


45/168

+ + + + + + + +25 30 35 40 45 50 55 60 2

C1

C2


C1 : produit prcipit la temprature ambiante et sch 80 C

C2 : produit prcipit la temprature ambiante, sch 80 C et calcin 900 C lair pendant deux heures

* : prsence de CaCO3

O : prsence de CaO

*

O

36


46/168

+ + + + + + + +25 30 35 40 45 50 55 60 2

D2

D1


D1 : produit prcipit la temprature dbullition et sch 80 C

D2 : produit prcipit la temprature dbullition, sch 80 C et calcin


* : prsence de CaCO3

O : prsence de CaO

*

O

37


47/168


Ltude par spectroscopie infrarouge des solides lavs et schs 80 C (C1, D1)

pendant une nuit et les solides lavs et schs puis calcins 900 C lair pendant deux

heures (C2, D2) confirme ltude par diffraction des rayons X ralise sur ces mmes produits

(Figure II-7, Figure II- 8).

En effet, on note sur les spectres correspondants aux produits C1, D1 les bandes

caractristiques des ions CO32- dans la calcite et des bandes caractristiques des ions PO4

3-

et HPO42-.

Dans le cas de la caractrisation des produits (C2, D2) , les spectres dabsorption

infrarouge montrent la prsence de toutes les bandes dabsorption correspondantes

lhydroxyapatite et une phase supplmentaire dont la bande dabsorption est situe

3642 cm-1 attribue aux ions hydroxyles de la chaux.

I.4.c. Conclusion

La neutralisation de CaCO3 par H3PO4 aux deux tempratures dtudes savoir la

temprature ambiante et lbullition conduit la formation dun mlange delhydroxyapatite mal cristallise et la calcite CaCO3. La calcination de ces produits conduit

galement la formation de deux phases qui ont t identifies dans ce cas celle de

lhydroxyapatite bien cristallise et de la chaux.

38


48/168

cm- + + + + + + + +4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

C1

C2


C1 : produit prcipit la temprature ambiante et sch 80 C

C2 : produit prcipit la temprature ambiante, sch 80 C et calcin


39


49/168

I.4. c. Conclusion

D2

D1


D1 : produit prcipit la temprature dbullition et sch 80 C

D2 : produit prcipit la temprature dbullition, sch 80 C et calcin


cm-

+ + + + + + + +4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40


50/168

II. METHODE DE SYNTHESE PAR DOUBLE DECOMPOSITION

II.1. Prsentation de la mthode de synthse par double

dcomposition partir de Ca(NO3)2 et (NH4)2HPO4

Cette mthode de synthse permet de prparer lhydroxyapatite stoechiomtrique en

effectuant une prcipitation lente en milieu basique, entre une solution de nitrate de calcium et

une solution dhydrognophosphate dammonium.

La composition des solutions est choisie partir des coefficients stoechiomtriques

correspondant lquilibre de lquation de la raction : (rapport atomique Ca/P = 10/6).

10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3 + 6H2O

- solution A : 26,4 g de diammonium hydrogno-phosphate (NH4)2HPO4 dissoutdans 130 ml deau dsionise dcarbonate (1,5 M).

- solution B : 78,7 g de nitrate de calcium Ca(NO3)2, 4H2O dissout dans 300 mldeau dsionise (1 M)

La solution A du phosphate additionne 150 ml dammoniaque est verse au moyendune pompe pristaltique dans la solution B de nitrate de calcium porte lbullition et

agite avec une vitesse constante de 400 tr/min. La prsence dammoniaque en excs est

ncessaire pour avoir un milieu basique proche de 9. Une fois laddition termine, la

prparation est maintenue lbullition et sous agitation environ une heure.

Le prcipit est ensuite filtr chaud sur bchner, lav avec une solution dun litre

deau dsionise contenant 100 ml dammoniaque, sch 80 C pendant une nuit puis

calcin 900 C lair pendant deux heures.

II.2. Etude du produit de synthse

II.2.a. Etude par diffraction des rayons X

Ltude du diagramme de diffraction des rayons X du produit prpar (Figure II-9)

montre la prsence de toutes les raies de diffraction de la phase apatitique bien cristallise. En

effet, les distances interreticulaires et les intensits des raies de diffraction observes sont

41


51/168

identiques aux valeurs des donnes cristallographiques de lhydroxyapatite phosphocalcique

(fiche A.S.T.M.) regroupes dans le tableau II-1.

Figure II-9 : Diagramme de diffraction des rayons X du produit prpar.

II.2.b. Etude par spectroscopie infrarouge

Les positions et les intensits des bandes dabsorption releves du spectre dabsorption

infrarouge du phosphate de calcium que nous avons prpar correspondent celles qui sont

rapportes par diffrents auteurs pour lhydroxyapatite que nous avons regroupes dans le

tableau II-2. En effet, on retrouve sur le spectre donn par la figure II-10, les bandes propres

lion OH- situes 3560 cm-1 et 633 cm-1 et les bandes attribuables aux groupements PO43-

situes 1090-1047 cm-1, 962 cm-1 ,602 cm-1 et 572 cm-1.

II.2.c. Conclusion

La mthode de double dcomposition permet de prparer lhydroxyapatite

phosphocalcique pure et stoechiomtrique. Afin dobtenir un meilleur tat de cristallisation, il

est ncessaire de soumettre lapatite une calcination lair 900 C pendant deux heures.

Ce produit est donc prpar pour tre utilis comme produit de rfrence.

42


52/168

Figure II-10 : Spectre dabsorption infrarouge du produit prpar.

II.3. Prsentation de la mthode de synthse par double

dcomposition partir de CaCO3 et H3PO4

Afin de valoriser les produits locaux, tels que le carbonate de calcium (calcite) qui

possde des proprits biologiques dans le domaine des biomatriaux et lacide phosphorique

(H3PO4) qui est le driv de la premire ressource naturelle de Maroc (les phosphates), nous

avons opt pour leur utilisation comme ractifs pour la prparation de lhydroxyapatite et du

phosphate tricalcique apatitique.

Dans ce cas, la synthse se fait en deux tapes :

La premire consiste la prparation de deux solutions (A et B) qui seront utilisescomme des ractifs.

- la solution A de phosphate est obtenue par la dilution de 13,7 ml dacideortho phosphorique pur de densit d = 1,68 et de pourcentage p = 85 %

dans 130 ml deau distille et dcarbonate.

43


53/168

- La solution B de calcium est obtenue partir de lattaque de 33,33g decarbonate de calcium CaCO3 poudre par 46,16 ml dacide nitrique HNO3

pur de densit d = 1,4 et de pourcentage p = 65% selon la raction

suivante :

CaCO3 + (2HNO3)aq ( Ca(NO3)2)aq + CO2 + H2O

Aprs agitation et refroidissement , la solution est complte avec 330 ml deau

distille et dcarbonate.

La seconde tape consiste placer la solution de calcium dans un racteur de 2litres (Figure II-11). Elle est porte bullition et ajuste pH 7 avec de

lammoniaque. A laide dune pompe pristaltique la solution de phosphate ajuste

pH 10 est verse goutte goutte sur la solution de calcium pendant une heure et

demie. La raction mise en vidence est la suivante :

10 Ca(NO3)2aq + 6 (NH4)2HPO4aq + 8 NH4OH Ca10(PO4)6(OH)2 + 20 NH4NO3 + 6H2O

Le milieu ractionnel est maintenu pH constant une valeur de 8 par lajout

dammoniaque au moyen dune pompe doseuse commande par un pH-stat reli une

lectrode combine de mesure du pH, plonge dans le milieu ractionnel et pralablement

talonne la temprature de la synthse.



Le diagramme de diffraction des rayons X du produit lav et calcin 900 C (FigureII-12), rvle la prsence de toutes les raies de diffraction caractristiques dune phase

apatitique bien cristallise. On note galement labsence de raies trangres telles que celles

de la chaux ou du phosphate tricalcique . Ceci confirme que lapatite prcipite lave est une

hydroxyapatite stoechiomtrique.

Lanalyse des rsultats ports dans le tableau II-3 montre que les paramtres

cristallographiques de lapatite calcine, sont identiques ceux dune hydroxyapatite

stoechiomtrique.

44


54/168

Figure II-11 : Procd de synthse de lhydroxyapatite.

R : racteur,

M : mlangeur,

P : pompe,

pH : rgulateur de pH,

F : systme de filtration,

Se : dessiccateur,

Br : broyeur.

Solution decalcium

R

Solution dephosphate

M

pH NH4OH

FFiltrat

Se

HAP

Br

45


55/168

Figure II-12 : Diagramme de diffraction des rayons X du produit prcipit et calcin lair

pendant deux heures 900 C.

Tableau II-3 : Paramtres cristallographiques de lapatite obtenue lave et calcine

900 C.

Apatites a () b ()

HAP prsent travail

HAP Nadir (29)

HAP Trombe (42)

9,422 6,881

9,421 6,883

9,421 6,882


Le spectre dabsorption infrarouge du produit lav et calcin (Figure II-13) est

identique celui dune hydroxyapatite stchiomtrique. La finesse des bandes atteste

lexcellent tat de cristallisation du solide.

46


56/168

Quant au produit non lav et sch 80 C, il contient en plus de la phase apatitique

des bandes caractristiques des ions ammoniums, des ions nitrates et des ions HPO42- qui

disparaissent par lavage.

Figure II-13 : Spectre dabsorption infrarouge du produit prcipit et calcin lair pendant

deux heures 900 C.

II.4.c. Mesure de la surface spcifique

La surface spcifique ralise sur des poudres rend compte en particulier de ltat de

cristallinit de lchantillon tudi. En effet, plus la surface est faible plus ltat de cristallinit

est important. La surface spcifique du solide calcin est de 16,2 0,4 m2 g-1, valeur

nettement infrieure celle des apatites prpares selon la mthode dArends et al (44), qui est

de lordre de 37 m2

g-1

.

II.4.d. Microscopie lectronique balayage

Lexamen par microscopie lectronique balayage du prcipit obtenu montre qu

faible grossissement (x 1900), il est constitu de sphrodes homognes en tailles et de

diamtre voisin de 40 m (Figure II-14). A plus fort agrandissement (x 6500), ces sphrodes

se rvlent tre de formation dendritique constitue dun agglomratdaiguilles orientes vers

le centre du grain (Figure II-14).

47


57/168

Figure II-14 : Micrographies MEB du produit prcipit et calcin lair pendant deux heures

900 C.

48


58/168

II.4.e.Conclusion

Nous avons pu montrer par cette tude, quil est difficile dobtenir une hydroxyapatite

phosphocalcique pure et stoechiomtrique par la neutralisation du carbonate de calcium en

suspension par lacide phosphorique.

En revanche, par lattaque du carbonate de calcium par lacide nitrique, le calcium se

trouve sous forme ionique Ca2+ en solution et rentre en raction avec les ions phosphate PO43-

pour former en milieu ammoniacal une hydroxyapatite phosphocalcique pure et

stoechiomtrique (68).

Les conditions optimales qui permettent de prparer une hydroxyapatite

stoechiomtrique sont dtermines lors de ltude de loptimisation de la synthse de ce

produit dans le chapitre V.

49


59/168

CHAPITRE III

ETUDE DE LA SYNTHESE DU PHOSPHATETRICALCIQUE APATITIQUE PAR VOIE AQUEUSE


60/168

Les caractristiques physicochimiques des phosphates de calcium sont responsables de

leur bio activit. L'hydroxyapatite est chimiquement le phosphate de calcium qui se rapproche

le plus de la phase cristalline de l'os. Nanmoins, en raison de son rapport molaire Ca/P de

1,67, lapatite est trs peu soluble dans les milieux biologiques et de ce fait son taux de

dgradation est trs bas in vivo (69-71). En revanche, le TCP au rapport Ca/P de 1,5 est

beaucoup plus soluble et sa dgradation est plus importante. Le TCP est gnralement

employ lors de la ralisation de cramiques qui constituent lheure actuelle un substitut

osseux de choix (72).

Ces cramiques sont bioactifs et permettent des interactions entre les cellules du

milieu et les liquides biologiques gage d'une intgration de qualit. De mme leur

biocompatibilit est bien connue. Ils ne donnent lieu aucune raction immunologique outoxique pour les tissus ni aucune raction corps tranger. Ils ne sont nanmoins pas osto -

inducteurs car il n'y a pas de vritable formation osseuse lorsqu'ils sont implants dans un site

non osseux musculaire en particulier o ils sont alors le sige d'une simple encapsulation. En

revanche, ils sont ostoconducteurs c'est--dire qu'ils induisent une ostorgnration leur

contact aussi bien la priphrie qu' l'intrieur du biomatriau au sein des macropores de

faon centrifuge.

Le TCP est un phosphate tricalcique anhydre. Il est obtenu par calcination 900 C

du phosphate tricalcique apatitique ou du phosphate tricalcique amorphe (56, 73). Ces derniers

sont prpars par diffrentes voies :

- En milieu aqueux, par hydrolyse de la brushite (DCPD) (74) ou par double

dcomposition (48, 57),

- En milieu hydroalcoolique par double dcomposition

(75)

,

- Par voie sol-gel (76).

Dans ce chapitre, nous nous sommes proposs de prparer galement le phosphate

tricalcique apatitique partir de ractifs disponibles cot modr tel que le carbonate de

calcium CaCO3 comme source de calcium et lacide phosphorique H3PO4 comme source de

phosphate en utilisant la mthode tablie par J.C.HEUGHEBAERT.

51


61/168

I. METHODE DE SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE A

PARTIR DE Ca(NO3)2 ET (NH4)2HPO4

I.1. Prsentation de la mthode de synthse

Le phosphate tricalcique apatitique a t labor par prcipitation par double

dcomposition rapide partir dune solution A de nitrate de calcium et une solution B

ammoniacale des ions orthophosphates .Signalons que le rapport Ca/P en solution est fix

dans ce cas 1,5.

- solution A : 46,73 g de nitrate de calcium Ca(NO3)2, 4H2O sont dissout dans 550 ml

deau distille dcarbonate (0,36 M) additionne de 40 ml dammoniaque pur(d = 0,92).

- solution B : 25,74 g de diammonium dihydrognophosphate (NH4)2HPO4 sont dissout

dans 1300 ml deau distille et dcarbonate (0,15 M). A cette solution sont ajouts

40 ml dammoniaque pur (d = 0,92).

La prcipitation seffectue la temprature de 37 0,1 C en versant rapidement, tout

en agitant, la solution A dans un racteur de deux litres contenant la solution B.

Le prcipit est spar des eaux mres par filtration sur buchner, lav plusieurs fois

avec de leau distille additionne dammoniaque. Il est ensuite sch 80 C pendant une

nuit.

Le produit non sch, obtenu dans ces conditions est amorphe et peut tre dcrit par la

formule suivante :

Ca9 (PO4)6 ; nH2O.

Cest une phase de transition lors de prcipitation dapatites dficientes. Le phosphate

tricalcique amorphe se caractrise par diffraction des rayons X par un large halo

correspondant un produit amorphe. Le phosphate tricalcique apatitique est la forme

cristallise basse temprature de phosphate tricalcique amorphe. Il prsente une formule

chimique diffrente puisque lors de la cristallisation, il se produit simultanment lhydrolyse

52


62/168

interne dun groupement PO43- (73). Il se forme alors un compos de structure apatitique de

formule suivante :

Ca9 (HPO4) (PO4)5(OH)

I.2. Etude du produit de synthse

Le produit prcipit selon cette mthode, aprs une heure de maturation est caractris

par diffraction des rayons X et spectroscopie dabsorption infrarouge.


Le diagramme de diffraction des rayons X (Figure III-1) du solide prcipit aprs une

heure dagitation, lav et sch 80 C, montre la formation dun produit de structure

apatitique. En effet, on relve la prsence des raies principales de cette phase telle que la raie

002 211 112 300 202 que nous avons pu indexer partir de la fiche ASTM de

lhydroxyapatite reprsente par le tableau II-1 (chapitre II).

On remarque galement que lapatite ainsi prpare est mal cristallise.

+ + +25 30 35 2

Figure III-1 : Diagramme de diffraction des rayons X du phosphate tricalcique apatitique.

002

211112

300

202

53


63/168


Les positions et les intensits des bandes dabsorption releves partir du spectre

dabsorption infrarouge (Figure III-2) du solide prcipit aprs une heure, lav et sch

80 C sont regroupes dans le tableau III-1 ci dessous.

On note daprs ce tableau la prsence de toutes les bandes dabsorption de

lhydroxyapatite phosphocalcique, par contre, on observe une diminution de lintensit de

quelques bandes telle que celle relative aux ions OH- situes vers 3560 et 630 cm-1 et

lapparition de bandes dabsorption situes 1180 1200 et 875 cm-1 attribus aux ions

HPO42-.

Figure III-2 : Spectre dabsorption infrarouge du phosphate tricalcique apatitique.

+ + + + + + + +4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 cm-1 500

54


64/168

Tableau III-1 : Positions, intensits et attributions des bandes dabsorption infrarouge du

phosphate tricalcique apatitique (57).

Position des bandes (cm-1) Intensits des

bandes

Attribution

474 f PO43- (2 : dformation symtrique)

530 ep HPO42- (dformation HO-PO3 )

571 - 601 F PO43- (4 : dformation antisymtrique)

630 ep OH- (L : bande de libration)

875 F HPO42- (longation P-OH)

962 m PO43- (1 : longation symtrique)

1046 1087 F PO43- (3 : longation antisymtrique)

1180 1200 ep HPO42- (dformation dans le plan des

groupements OH-)1630 f H2O (dformation des molcules deau

lies par des ponts H)3000 3400 m H2O (longation symtrique des

molcules deau lies par des ponts H)3560 ep OH- (s : longation symtrique)

II. METHODE DE SYNTHESE DU PHOSPHATE TRICALCIQUE A

PARTIR DE CaCO3 ET H3PO4

II.1. Prsentation de la mthode de synthse

Notre mthode de synthse du phosphate tricalcique apatitique dcoule directement de

celle dcrite par HEUGHEBEART que nous avons prsente dans le paragraphe prcdant.

Elle consiste, dune part, prparer la solution A de calcium et la solution B de phosphate qui

seront utilises ensuite comme ractifs de synthse.

55


65/168

- la solution A est prpare partir de lattaque de 66 g de carbonate de calciumCaCO3 par 91,4 ml dacide nitrique HNO3 (d = 1,4 et p = 65%) selon la raction

suivante :

CaCO3 + 2 HNO3 Ca (NO3)2 +H2O + CO2

Aprs dissolution totale du solide et refroidissement de la solution, on la complte

550 ml avec de leau distille et dcarbonate ensuite on ajoute 40 ml dammoniaque pur

(d = 0,92).

- la solution B est obtenue par neutralisation de 30 ml dacide ortho phosphoriqueH3PO4 (d = 1,68 et p = 85%) par lammoniaque pur (d = 0,92) selon la raction

suivante :

H3PO4+2 NH4OH (NH4)2HPO4+ 2 H2O

Aprs refroidissement de la solution, on la complte 1300 ml avec de leau distille

et dcarbonate.

Dautre part, on procde la prcipitation du solide en introduisant rapidement la

solution B dans un racteur de capacit 2 litres contenant dj la solution A la temprature

de 60 C.

Le pH du milieu ractionnel est maintenu constant une valeur de 7, par lajout

dammoniaque pur (d = 0,92) au moyen dune pompe doseuse commande par un pH-stat

reli une lectrode de mesure du pH.

Aprs 4 heures dagitation la temprature de synthse, le produit form est filtr sur

Buchner , lav, sch 80 C et calcin 900 C lair pendant une heure.



Le diagramme de diffraction des rayons X du produit prcipit, lav et sch 80 C

pendant une nuit (A1), nous confirme lidentit dune phase de structure apatitique mal

cristallise (Figure III-3).

56


66/168

Aprs calcination 900 C pendant une heure du produit lav et sch 80 C (A2),

ltude par diffraction des rayons X (Figure III-3) montre le changement de structure. En

effet, le phosphate tricalcique apatitique se transforme cette temprature en ortho phosphate

tricalcique anhydre de formule : Ca9

(PO4)6

Figure III-3 : Diagrammes de diffraction des rayons X.

A1 : solide lav et sch 80 C pendant une nuit

A2 : solide lav, sch 80 C et calcin 900 C pendant une heure

A2

A1

2

57


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Le spectre dabsorption infrarouge du prcipit lav et sch 80 C pendant une nuit

(A1) rvle les mmes positions, intensits et attributions des diffrentes bandes que celles

regroupes dans le tableau III-1. En effet, on observe, en plus des bandes relatives aux ions

PO43- , les bandes des ions HPO4

2- 875 cm-1 et de faibles bandes des ions OH- 3560 cm-1 et

630 cm-1 (Figure III-4).

Sur le spectre dabsorption infrarouge du prcipit lav et sch 80 C puis calcin

900 c pendant une heure (A2), on vrifie labsence de bandes caractristiques du

pyrophosphate P2O72- dans le domaine 1200 1100 cm-1 ni les bandes relatives aux ions OH-

de lhydroxyapatite qui apparaissent aux environs de 3560 cm-1

et 630 cm-1

(Figure III-4).

cm- + + + + + + + +

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

A1

A2

Figure III-4 : Spectres dabsorption infrarouge.

A1 : solide lav et sch 80 C pendant une nuit

A2 : solide lav, sch 80 C et calcin 900 C pendant une heure

58


68/168

II.2.c. Mesure de surface spcifique

La mesure de la surface spcifique a t effectue sur le prcipit lav et sch 80 C

pendant une nuit. Le phosphate tricalcique apatitique prpar dans ces conditions

exprimentales a une surface spcifique de lordre de 62 m2/g qui est suprieure celle de

lhydroxyapatite.

II.2.d. Microscopie lectronique balayage

Les photos prises par microscopie lectronique balayage du produit prcipit lav et

sch 80 C pendant une nuit deux grossissements diffrents (x 5000) et (x 10 000) sont

reportes sur la figure III-5.

II.2.e. Conclusion

La mthode que nous avons prsente, en changeant les ractifs, en augmentant la

temprature et le temps de maturation au cours de la raction nous a conduit lobtention

dun phosphate tricalcique apatitique pur de rapport molaire Ca/P =1,5. Cette mthode parait

intressante compare celle de HEUGHEBEART qui posa plusieurs difficults quant la

reproductibilit de cette synthse pour prparer un phosphate tricalcique apatitique de rapportmolaire Ca/p gale 1,5 (77). Il a t montr, dans la plupart des cas, quaprs calcination

900 C du produit prpar par cette mthode, la prsence de trace du pyrophosphate de

calcium. Cette difficult est lie au manque de matrise des paramtres exprimentaux au

cours de la synthse.

La dtermination des conditions optimales de la synthse de ce phosphate fera lobjet

du chapitre VI.

59


69/168

Figure II-5 : Micrographies en microscopie lectronique balayage du produit prcipit

et sch 80 C pendant une nuit.

x 5 000

x 10 000

60


70/168

CHAPITRE IV

ETUDE DE LA SYNTHESE DUN PHOSPHATE DECALCIUM APATITIQUE CARBONATE PAR VOIEHYDROTHERMALE


71/168

La synthse industrielle de phosphate de calcium apatitique se fait gnralement par

voie humide selon la mthode de double dcomposition prsente auparavant, qui permet de

prparer des quantits suffisantes de ces produits. Cependant, le procd hydrothermal est le

plus utilis aprs cette mthode de double dcomposition (78).

Ce traitement hydrothermal consiste dans la plupart des cas traiter sous vapeur deau

dans une enceinte ferme un mlange de ractifs selon le rapport molaire Ca/P dsir, une

temprature comprise entre 100 C et 500 C et sous une pression de vapeur deau de 0,5

17 MPa (79,80).

Ce traitement seffectue de deux mthodes diffrentes :

* Dans la premire, le mlange des ractifs est totalement immerg dans le milieu

aqueux de faon ce quil soit en contact avec leau ltat liquide. Ce premier procd

conduit la prparation dapatite par un traitement hydrothermal, dans un autoclave,

temprature comprise entre 160 C et 200 C dun mlange en solution de CaCO3 et de

CaHPO4, 2H2O en milieu aqueux basique (pH = 10)(81-83) .

* Dans la seconde mthode, le mlange des ractifs est dispos au dessus du milieu

liquide de sorte quil ne soit en contact quavec la vapeur deau produite sous leffet de latemprature. Ce second procd de synthse a t utilis pour la prparation dhydroxyapatite

partir dalgue marine caractrise par son taux lev de carbonate de calcium CaCO3 voisin

de 80% en prsence dhydrognophosphate dammonium (NH4)2HPO4(84).

Toutefois, les caractristiques physico-chimiques des phosphates de calcium

dpendent de leur rapport molaire Ca/P qui est son tour directement li aux conditions

opratoires choisies au cours de la synthse.

Ce chapitre sera consacr ltude dune nouvelle mthode de synthse par voie

hydrothermale de phosphate de calcium apatitique dficient en ions calcium.

Par consquent, nous allons dans cette tude suivre le comportement, sous atmosphre

humide et des tempratures infrieures 100 C, de plusieurs mlanges de poudre dun sel

de calcium et dun sel de phosphate, homogniss par broyage manuel afin dvaluer

linfluence de certains paramtres de synthse sur le produit final tels que :

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- Le rapport atomique Ca/P initial du mlange,- le temps de sjour du mlange,- la temprature du traitement du mlange.

I. CONDITIONS EXPERIMENTALES

Cette synthse consiste prparer un phosphate de calcium de structure apatitique

dficiente en ion calcium, partir dun mlange de sel de calcium : CaCO3 et de sel de

phosphate : (NH4)2HPO4, que lon soumet de la vapeur deau pour une dure et une

temprature bien dtermines.

Nous dcrirons dans cette partie le dispositif exprimental utilis pour le traitement

sous atmosphre humide des chantillons, ainsi que le protocole exprimental suivi afin

dobtenir un phosphate de calcium apatitique dficient.

I.1. Description du dispositif exprimental

Ce dispositif se compose (Figure IV-1) :

- Dun racteur sous forme dune enceinte cylindrique en inox, de diamtre gal 20 cm et de hauteur gale 13 cm possdant un couvercle qui facilite

lintroduction des mlanges de poudre pralablement prpars et la quantit deau

ncessaire la raction qui est de lordre de 750 ml .

- Dune grille mtallique de mme diamtre que le racteur, fixe mi-hauteur delenceinte afin dviter tout contact de leau liquide avec le mlange de poudre.

Les orifices de la grille permettent le passage de la vapeur deau de la partie

infrieure la grille vers la partie suprieure o sont placs les constituants traiter.

- Une tuve thermostate la temprature de traitement, dans laquelle le racteur estplac pour la dure dtude dsire.

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Figure IV-1 : Schma du dispositif exprimental.

I.2. Protocole exprimental

Le procd de synthse du phosphate de calcium apatitique sous atmosphrehumide

comprend les tapes suivantes :

- La prparation des mlanges de poudre de rapport atomique (Ca/P)initial biendtermin partir du carbonate de calcium et de lhydrognophosphate

dammonium.

- Lhomognisation par broyage au mortier dagate des diffrents constituantspess avec prcision.

- Ltalement de la poudre ainsi obtenue, en couche mince sur un verre de montre dediamtre 8 cm.

- Lemplacement de lchantillon prpar dans ces conditions, dans un racteurcontenant de leau (Figure IV-1) pendant des dures allant de quelques heures

quelques jours.

- Le retrait du solide du racteur, puis le schage pendant 1 heure la tempraturede ltude afin darrter la raction entre les ractifs.

Racteur

tuve

Echantillon

Eau

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- Le lavage du produit sur verre fritt deux fois leau distille et trois fois avec unesolution deau-thanol (50/50 en volume), puis le schage de lchantillon

ltuve pendant 4 heures la temprature de ltude.

- La caractrisation de lchantillon par diffraction des rayons X, spectroscopiedabsorption IR.

II. ETUDE DE LINFLUENCE DES PARAMETRES DE SYNTHESE

SUR LA STOECHIOMETRIE DU PHOSPHATE DE CALCIUM

II.1.Influence du rapport atomique (Ca/P) initial

En gnral, les phosphates de calcium possdent des proprits physico-chimiques

selon leur rapport atomique Ca/P, do la ncessit de bien matriser la stoechiomtrie du

compos final lors de la synthse.

Pour cela, nous nous sommes intresss au comportement des mlanges initiaux sous

atmosphre humide afin de mettre en vidence linfluence des paramtres de synthse sur la

composition chimique, et donc sur le rapport atomique (Ca/P) des poudres synthtises.

Dans cette tude, nous nous sommes intresss une srie de trois mlanges de

carbonate de calcium CaCO3 et dhydrognophosphate dammonium (NH4)2HPO4 selon un

rapport atomique Ca/P gal 1,5 ; 1,6 et 1,67.

Les masses de CaCO3 et celles de (NH4)2HPO4 correspondant aux trois mlanges sont

reportes dans le tableau IV-1. Ces mlanges homogniss par broyage, ont t placs en

atmosphre humide 80 C.

Tableau IV-1 : masses de CaCO3 et

these britel

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