Bone biomineralization : from the structural characterization of the mineral to its 3D organization

Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation fine des cristaux d’apatite osseuse, principalement par résonance magnétique nucléaire à l’état solide. Leur originalité majeure a été de se tourner vers l’étude d’un échantillon d’os frais et intact, analysé dans les deux heures après son extraction de chez l’animal (i.e. une brebis âgée de deux ans). Cette démarche évite toute altération de l’échantillon d’os, lequel se trouve proche de son état d’hydratation naturel. Une telle rigueur expérimentale a permis de mettre en lumière le fort caractère hydrophile des cristaux d’apatite du minéral osseux. Un même caractère hydrophile a également été rapporté pour des analogues biomimétiques de synthèse étudiés dans un état humide artificiel. Il est prouvé ici que ce caractère hydrophile est fourni par la présence d’un domaine minéral particulier se trouvant en surface des cristaux d’apatite osseuse et biomimétique, appelé domaine non-apatitique. Les signatures RMN (des noyaux 31P et 1H) ainsi que les propriétés d’hydrophilie de ce domaine non-apatitique ont été comparées à celles d’un échantillon de phosphate de calcium amorphe de synthèse, et se sont avérées similaires. Une étude sur la composition chimique de ce domaine non-apatitique a également été entreprise, réalisée parfois sur un échantillon d’os intact et parfois sur des analogues biomimétiques de synthèse enrichis en certains isotope (i.e. 13C et 43Ca). Il a de cette manière été montré que ce domaine non-apatitique est principalement composé d’espèces divalentes : Ca2+, HPO42- et CO32-. Enfin, des expériences de diffraction des rayons X et de cryo-microscopie électronique en transmission ont permis d’étudier le comportement en solution des cristaux d’apatite. Il a de cette manière été prouvé, de manière inattendue, que les molécules d’eau rigidement adsorbées sur le domaine de surface des cristaux d’apatite peuvent favoriser l’adhésion entre les cristaux ainsi que leur organisation 3D.The work of this thesis is focused on the characterization of bone apatite crystals, mainly by solid-state nuclear magnetic resonance. The originality of this work was to study a fresh bone sample, analyzed within two hours after its extraction from the animal (i.e. a two years old sheep). This approach avoids any alteration of the bone sample, and keeps its natural state of hydration. Such experimental rigor led to the evidence that the apatite crystals of bone own a high hydrophilic character. Furthermore, a analogous hydrophilic character has also been reported for two samples of biomimetic apatites, both studied in a artificial wet state. It is shown here that this hydrophilicity is given by the presence of a particular mineral domain located at the surface of the bone apatite (and biomimetic apatite) crystals, the so called non-apatitic domain. The NMR signatures (1H and 31P nuclei) and the hydrophilic properties of the non-apatitic domain were compared with those of a synthetic amorphous calcium phosphate, and all were found to be similar. The chemical composition of the non-apatitic domain was also studied, sometimes performed on a bone sample and sometimes on labeled (13C and 43C) biomimetic apatites. It has been shown that this non-apatitic domain is mainly composed of divalent species : Ca2+ , CO32- and HPO42-. Finally, some X-ray diffraction and cryo-electron transmission microscopy experiments were done to study the behavior of apatite crystals in aqueous media. It has been shown, surprisingly, that the water molecules strongly adsorbed on the non-apatitic domain at the surface of apatite crystals, can promote the adhesion between crystals and their 3D organization