Apport de la RMN haute résolution solide pour la caractérisation de verres biocompatibles

High-resolution solid-state NMR contribution to the characterization of biocompatibles glasses

• Auteur / Autrice : Ophélie Vernay
• Direction : Dominique Massiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 29/03/2013
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Bouler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Massiot, Jean-Michel Bouler, Christian Bonhomme, Hassane Oudadesse, Franck Fayon, Laurent Delevoye
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Bonhomme, Hassane Oudadesse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectres

Phosphates de calcium

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Bioverres

Biomatériaux

Résorption osseuse

Ostéoporose

Mots clés libres

Verres

RMN Haute Résolution Solide

Phosphates de Calcium

Gallium

Bioglass® 45S5

Glasses

High-Resolution Solid-State NMR

Calcium Phosphates

Gallium

Bioglass® 45S5

Résumé

Le développement de matériaux biocompatibles permettant la vectorisation de principes actifs est particulièrement souhaitable dans le cadre de la réparation osseuse liée à certaines pathologies. Dans la première partie de ce mémoire, nous décrivons la synthèse et la caractérisation de verres de phosphates de calcium dopés avec du gallium qui est un agent inhibiteur de la résorption osseuse. Les modifications du réseau phosphate sont étudiées par RMN du 31P et les différents environnements locaux du Ga3+ sont mis en évidence par RMN du 71Ga en utilisant des conditions expérimentales spécifiques (très haut champ magnétique de 20T et rotation de l’échantillon ultra-rapide). Le comportement en solution de ces verres a été étudié par RMN et par ICP-AES. Les résultats obtenus indiquent qu’ils sont soumis à une dissolution quasi-congruente et que l’ajout de Ga3+ augmente leur durabilité chimique. La seconde partie de ce travail est dédiée à l’étude d’un verre bioactif utilisé en chirurgie réparatrice osseuse : le Bioglass® 45S5 (système SiO2-CaO-Na2O-P2O5). L’utilisation d’expériences RMN de double résonance a permis d’apporter des éléments de réponse sur le type d’association entre les groupements phosphates et le réseau silicate. Après immersion de ce verre dans un fluide physiologique simulé (SBF), un suivi quantitatif des espèces, initiales et formées à la surface du verre, a été réalisé par RMN. Les résultats obtenus par RMN et par d’autres techniques de caractérisation montrent que l’hydroxyapatite carbonatée se formant en surface du verre présente de grandes similitudes avec les apatites biologiques.

The development of biocompatible materials allowing the local delivery of specific drugs is of high interest to repair pathological bone defects. The first part of this manuscript describes the synthesis and the characterisation of calcium phosphates glasses doped with gallium, which is a bone resorption inhibitor. The nature of the phosphate network is probed by 31P NMR and the Ga3+ local environments are studied 71Ga NMR at very high magnetic field (20T) and ultra-fast spinning frequency. The leaching behaviour of these glasses is investigated by NMR and ICP-AES. The obtained results indicate that the glass dissolution is nearly congruent and that Ga3+ doping improves the chemical durability. The second part of this work is dedicated to the study of the Bioglass® 45S5 which is a bioactive glass (SiO2-CaO-Na2O-P2O5 glassy system) used in bone repair surgery. Double-resonance NMR experiments are used to obtain information about the association between the phosphate units and the silicate network. NMR analyses are also used to characterize quantitatively the various species formed at the glass surface after immersion into a simulated body fluid for varying periods. Results obtained from NMR and other characterization methods revealed that the carbonated hydroxyapatite formed at glass surface shows strong similarities with biological apatites.