Thèse soutenue

Compréhension des premières étapes de nucléation de l’apatite biomimétique

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Auteur / Autrice : Tristan Georges
Direction : Thierry Azaïs
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
Date : Soutenance le 03/02/2023
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
Jury : Président / Présidente : Nadine Nassif
Examinateurs / Examinatrices : Christophe Drouet, Franck Fayon
Rapporteurs / Rapporteuses : Danielle Laurencin, Stephan E. Wolf

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Mots clés libres

Résumé

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Cette thèse s’intéresse aux premières étapes de formation de l’hydroxyapatite, une phase de phosphate de calcium de composition, Ca10(PO4)6(OH)2, qui est la composante majoritaire des os et dents. Il a récemment été proposé que cette phase se forme suivait un mécanisme de nucléation non-classique impliquant la formation de clusters solubles de taille nanométrique appelés « clusters de prénucléation » (PNC) s’agrégeant au cours du temps avant de nucléer en une phase solide amorphe évoluant par la suite en hydroxyapatite. Les PNC sont des entités particulièrement mal comprises. L’état soluble, la taille nanométrique, la dynamique d’échange entre les ions mais aussi les cinétiques de formation et d’agrégation des PNC qui peuvent être très rapides compliquent leur étude. Faute de méthodes de caractérisation adaptées, il n’y a pas encore de consensus sur la composition, la structure ou la caractérisation de la dynamique de ces clusters. Cette thèse vise à caractériser ces paramètres en développant des méthodologies d’analyse à l’échelle atomique adaptées à ces espèces. Pour cela, nous avons utilisé des méthodes résolues dans le temps en combinant des mesures in situ par potentiométrie du calcium, pH-métrie et RMN en solution. Nous nous sommes aussi attachés à des méthodes de caractérisation de solutions cryo-fixées telles que le cryo-TEM et la RMN à l’état solide hyperpolarisée. Cette dernière approche a été particulièrement développée de manière à stopper la réactivité à des instants bien définis pour caractériser les espèces transitoires. Appliquant ces méthodes, nous avons étudié l’influence de divers paramètres initiaux sur la précipitation d’hydroxyapatite biomimétique. Pour cela, nous nous sommes placés dans des conditions proches de la physiologie en termes de i) concentrations ioniques, ii) de pH, iii) de force ionique et iv) de température. Dans ces conditions, la formation d’hydroxyapatite biomimétique suit un mécanisme non-classique impliquant différentes espèces transitoires : les PNC, une phase amorphe, ainsi qu’une phase proche structurellement de l’octacalcium phosphate. Qu’elles que soient les conditions de précipitation, nous avons notifié que la composition des PNC était préservée et que ces derniers pouvaient être décrits comme des entités de calcium triphosphate Ca(HPO4)2(H2PO4)3-. Par ailleurs, les conditions de précipitation définissent la quantité de PNC formée et la cinétique de nucléation est d’autant plus rapide que les concentrations en PNC sont élevées. Des méthodologies similaires nous ont permis de décrire les phases solides transitoires précédant la formation d’hydroxyapatite biomimétique en l’absence et en présence d’acide polyaspartique, un additif mimant les actions des protéines acides in vivo suspectées de contrôler la minéralisation osseuse.