Elaboration et étude des propriétés physico-chimiques et biologiques de nouveaux matériaux amorphes bioactifs pyro/orthophosphate de calcium

Dans le domaine des substituts osseux dentaires et orthopédiques, le contrôle de la biodégradabilité et de la bioactivité des biomatériaux est un paramètre clé pour améliorer l'efficacité de la réparation tissulaire. Parmi ces matériaux, les phosphates de calcium amorphes ont attiré l'attention notamment en raison de leurs propriétés physico-chimiques et leur rôle potentiel en tant que précurseurs de l’apatite du minéral osseux. Ce sont des composés hydratés associant des ions calcium et des ions phosphates. Le CIRIMAT a récemment breveté une nouvelle famille de matériaux amorphes hydratés à base d’orthophosphate et de pyrophosphate de calcium que nous appellerons NaPYG-0X0, synthétisés à basse température (70°C) pour des applications de comblement osseux. Récemment, il a été démontré que le rapport ortho/(ortho + pyro) phosphate dans ce matériau peut être contrôlé lors de la synthèse et que la composition de ces matériaux est décrite par la formule chimique suivante : [(Ca2+y Na+z H+3+x-2y-z)(PO43)1- x(P2O74)x](H2O)u L’objectif de cette thèse est d’étudier les propriétés physico-chimiques et biologiques de ces nouveaux matériaux et de contrôler leur taux de dégradation en fonction du rapport ortho/(ortho + pyro) phosphate ce qui devrait permettre d'adapter la vitesse de résorption in vivo en fonction de l’application visée. Dans un premier temps, l’influence de certains paramètres de la synthèse ont été adaptés afin d’augmenter la quantité de produit obtenue. Puis, l’évolution de quatre compositions de matériaux NaPYG-0X0, avec différents ratio ortho/(ortho + pyro) phosphate, dont un matériau cristallin composé de 100% de pyrophosphate a été étudié in vitro à 37°C en immergeant ces matériaux dans différents milieux aqueux de plus en plus complexes (eau ultrapure acidifiée ou non, simulated body fluid, milieu de culture acellulaire) pouvant partiellement reproduire les différentes étapes de l’implantation d’un substitut osseux. Les compositions de matériaux ont montré une grande stabilité mais ont tous évolué différemment. Les matériaux amorphes contenant le plus de pyrophosphate sont plus stables et ont tendance à rester amorphes, alors que la composition comprenant le plus fort taux d’orthophosphate évolue en apatite nanocristalline analogue au minéral osseux dans quasiment chaque milieu dans lequel il est immergé. De plus, le pyrophosphate est connu pour être hydrolysé par des enzymes présentes dans la membrane des cellules osseuses in vivo. Une étude de l’évolution en présence d’enzymes (phosphatase alcaline) a donc été réalisée et a démontré le rôle majeur de la phosphatase alcaline dans l’évolution de la composition des matériaux NaPYG-0X0 in vitro. Plus le matériau initial comprend de pyrophosphate, plus la différence de dégradation est exacerbée suivant lorsqu’il évolue en présence ou non d’enzymes. Il a aussi été observé que la structure de la canaphite (pyrophosphate de calcium et de sodium hydraté cristallisé) a été complètement modifiée ; elle est devenue amorphe à partir de deux heures d’évolution en présence d’enzymes. Des études in vitro cellulaire sur des cellules mésenchymateuses humaines et d’implantation in vivo sur un modèle de défaut critique (calvaria de du rat) ont ensuite été menées dans le but de connaître la bioactivité et la biocompatibilité des matériaux NaPYG-0X0 et ont conduit à des résultats prometteurs. Ce projet de thèse fait partie du projet ANR PyVerres (ANR-16-CE19-0013) coordonné par le CIRIMAT en collaboration avec quatre laboratoires français (ICGM, LCMCP, B3OA et BioTis) ainsi qu’une entreprise, aux expertises complémentaires