Development of collagen/apatite model for biomineralization study

Elaboration de modèles collagène/apatite pour l'étude de la biominéralisation du tissu osseux

Yan Wang (1)

1 LCMCP (site Paris VI) - Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (site Paris VI)

This thesis was to develop bone-like matrices in order to a better understanding of physico-chemical mechanisms involved in bone formation. Bone is a complex composite material composed of an organic matrix (mainly collagen) with inorganic nanocrystals (apatite) that strengthen it. Our approach was to synthesize a dense collagen matrix which mimicked the bone hierarchical organization. A method has been developed for dense collagen matrix preparation, by which a collagen matrix with high fibrillar density, monodispersed fibrils and long-range hierarchical organization has been obtained. Before the mineralization study, we have compared and characterized synthesis apatite and biological apatite. Finally, specific experimental conditions based on a diffusion method have been developed to induce precipitation of biological-like apatite within a collagen matrix. We have showed that collagen in vitro can initiate and orientate the growth of carbonated apatite mineral in the absence of any other organic molecues. In this tissue-like collagen apatite matrix, size and distribution of apatite crystals are recreated as in bone. We have investigated the structure of those nanocrystals and compared them with biological apatite. The collagen apatite matrix was used as a simplified model for investigating the molecular interactions between the organic matrix and the mineral phase by NMR

L'objectif de ce travail de thèse était d'élaborer des matrices mimétiques du tissu osseux (en terme d'organisation des fibrilles de collagène ; de nature et distribution de la phase minérale) afin de progresser dans la compréhension des mécanismes physico-chimiques impliqués dans la formation du tissu osseux. La matrice de collagène ayant un rôle de charpente pour le tissu osseux, notre approche fut de synthétiser une matrice dense de collagène dont l'organisation hiérarchique mimait celle du tissu compact de l'os afin d'élaborer un bon modèle de matrice hybride collagène/apatite. Pour cela, nous avons mis en place un procédé d'élaboration de matrices denses fibrillaires de collagène (Wang 2011, brevet FR 2960439/WO 2011151587), qui a permis d'obtenir des matrices denses de collagène, de manière reproductible, en contrôlant la quantité de collagène injectée au cours du temps. Avant l'étude de l'étape de minéralisation, nous avons entrepris une caractérisation fine des apatites biologiques servant de référence et des phases d'apatite de synthèse servant de modèle. Enfin, nous avons minéralisé la matrice dense de collagène selon un procédé mettant en jeux les propriétés physico-chimiques du collagène en absence d'autres molécules organiques présentes in vivo, et en augmentant la charge en minéral par imprégnation dans un fluide physiologique. Nous avons ainsi réussi à réaliser la minéralisation de ces matrices dont l'organisation mime le réseau fibrillaire de l'os compact. Avec ce modèle simplifié de tissu osseux, nous avons réalisé les premières études sur la structure à l'interface collagène/apatite par RMN à l'état solide

Mots clés: Cristaux liquides de collagène; Hydroxyapatite; Substitution par les ions carbonates; Matériaux biomimétiques; RMN à l'état solide

Domaines: Matériaux

Yan Wang. Elaboration de modèles collagène/apatite pour l'étude de la biominéralisation du tissu osseux. Matériaux. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. Français. ⟨NNT : 2012PAO66484⟩. ⟨tel-00839469⟩