Nouvelles méthodologies pour l'étude RMN de biomatériaux de type phosphate de calcium et du minéral osseux.

New methodologies for the NMR study of calcium phosphate biomaterials and bone mineral

• Auteur / Autrice : Adam Nelson
• Direction : Christel Gervais, Danielle Laurencin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/10/2024
• 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 : Thibault Charpentier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Melinda J. Duer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Franck Fayon, Jérôme Cuny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Biomatériaux

Phosphates de calcium

Résonance magnétique nucléaire

Mots clés libres

RMN

Calcium

Phosphate

2D

Traîtement

DFT

NMR

Calcium

Phosphate

2D

Processing

DFT

Résumé

L'ingéniosité avec laquelle les êtres vivants transforment des précurseurs inorganiques et organiques en de nouveaux matériaux est une source d'intérêt constante en science des matériaux. À partir d'une sélection limitée de matières premières, et en s'appuyant uniquement sur des mécanismes biologiques, les organismes ont développé la capacité de synthétiser une large gamme de matériaux, des membranes poreuses jusqu'au bois les plus durs. À travers des millions d'années de sélection, ces matériaux se sont adaptés exactement aux rôles pour lesquels ils sont spécialisés. L'un d'entre eux est l'os, la structure de la plupart des vertébrés. L'os est un matériau complexe. De composition unique, il incorpore une large proportion de matériaux organiques dans sa structure. Il est décrit comme un composite hybride organique-inorganique de collagène et de phosphate de calcium. La partie minérale, qui représente les deux tiers de sa masse, est formée de nanocristaux d'un minéral de type apatite, intégrés dans une structure de collagène de type I. L'étude de ces nanocristaux est essentielle pour comprendre les propriétés et défauts de l'os, et est centrale dans cette thèse.Ce travail sera divisé en trois parties :Tous d'abord, nous offrirons un récapitulatif de la bibliographie portant sur les biominéraux et sur le minéral osseux. Nous commencerons par un aperçu général de l'os et des enjeux de santé qui le concerne. Nous présenterons une mutation modèle que nous étudierons dans la suite du manuscrit, le génotype LPA1-/-. Nous aborderons ensuite l'étude du minéral osseux en détail, avec un historique détaillé du rôle de la RMN solide dans son étude. Enfin, nous énumèrerons les séquences RMN et les méthodes numériques utilisées dans cette contribution.Deuxièmement, nous présenterons une étude publiée dans Faraday Discussions, dans laquelle nous expliquons le mécanisme gouvernant une transition en température que nous avons découverte dans l'OCP. Nous démontrerons l'existence de dynamique moléculaire dans l'OCP à température ambiente. Pour cela, nous utiliserons des méthodes d'enrichissement isotopique, la RMN-DNP, des simulations de dynamique moléculaire et des calculs GIPAW de paramètres RMN. Cette étude fournira les preuves de l'existence de molécules d'eau en mouvement dans la structure, qui expliquent un nombre des propriétés de l'OCP. Il se terminera par une attribution partielle des signaux de la structure à basse température à l'aide de méthodes cristallographiques RMN.Enfin, nous proposerons une analyse comparative de la composition du minéral osseux chez des souris dépourvues du récepteur LPA1. AU cours de cette analyse, nous explorerons de nouvelles méthodes pour l'analyse de signaux 2D des spectres CP-HETCOR de l'os. Nous démontrerons l'utilité de solutions sur-mesure pour le traîtement en série d'un large nombre de spectres. En conséquence, nous montrerons comment les évolution des paramètres RMN à différent temps de contact révèlent la présence de signaux sous-jacents dans le minéral osseux. Pour conclure, nous présenterons une nouvelle hypothèse pour l'attribution des résonances de l'os.

The ingeniousness with which living beings turn inorganic and organic precursors into new functional materials is a source of constant interest for the material scientist. From a limited selection of starting materials, and relying solely on molecular machinery, organisms have developped an ability to build a wide range of materials, from thin porous membranes to tough woods. Through eons of selection, these materials have become exceptionally well suited to fulfilling the roles for which they are specialized. One among many is bone, the scaffold of most land vertebrates.Bone is a complex material with a unique composition that incorporates a large portion of inorganic material in its structure. It can be described as an hybrid inorganic-organic composite of calcium phosphate minerals and collagen, with the mineral phase comprising two thirds of the dry weight of human bone. On a nanometric scale, it is composed of nanocrystals of an apatite-like mineral, interwoven with strands of type I collagen. The study of those nanocrystals is of paramount importance to understand the properties and possible defects of bone, and will be the central focus of this thesis.This work will be split into three parts:Firstly, we will offer an overview on bone, health, and prior studies of biominerals and bone mineral using solid state NMR. This will give a general overview of the structure of bone and its importance in health. We will present LPA1 deficiency, a model mutation that we will study later in this manuscript. We will then cover the study of bone mineral in more detail, with an in-depth look at the role of solid state NMR. Lastly, we will list the NMR sequences and computational methods used frequently throughout this study.Secondly, we will present a study published in Faraday Discussions, where we explain a newly discovered temperature-transition in OCP. We will demonstrate the existence of molecular dynamics in OCP at room temperature. For this, we use a combination of isotopic enrichment, DNP-enhanced NMR, molecular dynamics simulations and GIPAW calculations of NMR parameters. The study will provide new evidence of water mobility in OCP, and explain a number of its properties. It will conclude on a tentative assignment of the low-temperature structure using NMR crystallographical methods.Lastly, we will offer a comparative analysis of the composition of bone mineral in mice missing the LPA1 receptor. During this analysis, we will explore new methods for the analysis of the 2D signals of CP-HETCOR spectra. We will demonstrate the utility of homemade solutions for the processing of large numbers of spectra. Thanks to this, we will show how evolutions in NMR parameters at different contact times are a telling sign of the presence of underlying signals in bone mineral. Consequently, we will present a new hypothesis for the attribution of the resonances of bone.